Tähtitiede | tieteellinen tutkimus taivaankappaleista

Tähtitieteen historia

Muinainen historia

Varhaiset tähtitieteilijät käyttivät tähtien katseluun vain silmiään. He tekivät karttoja tähtikuvioista ja tähdistä uskonnollisista syistä ja kalentereita vuodenajan määrittämiseksi. Varhaiset sivilisaatiot, kuten mayat ja muinaiset egyptiläiset, rakensivat yksinkertaisia observatorioita ja piirsivät karttoja tähtien sijainnista. He alkoivat myös pohtia Maan paikkaa maailmankaikkeudessa. Pitkään ajateltiin, että Maa oli maailmankaikkeuden keskus ja että planeetat, tähdet ja aurinko kiertävät sitä. Tätä kutsutaan geosentrismiksi. Tähtitiede tulee kreikan kielen sanoista astron (ἄστρον), joka tarkoittaa tähteä, ja nomos (nόμος), joka tarkoittaa lakia).

Muinaiset kreikkalaiset yrittivät selittää auringon ja tähtien liikkeitä mittaamalla. Matemaatikko nimeltä Eratosthenes oli ensimmäinen, joka mittasi maapallon koon ja osoitti, että maapallo on pallo. Toisen matemaatikon nimeltä Aristarkhosin teoria oli, että aurinko on keskipiste ja maapallo liikkuu sen ympärillä. Tämä tunnetaan nimellä heliosentrismi. Vain harvat ihmiset pitivät sitä oikeana. Loput uskoivat edelleen geosentriseen malliin. Suurin osa tähdistöjen ja tähtien nimistä on peräisin tuon ajan kreikkalaisilta.

Arabialaiset tähtitieteilijät tekivät keskiajalla monia edistysaskeleita, kuten parempia tähtikarttoja ja tapoja arvioida maapallon kokoa. He myös ottivat oppia muinaisilta kääntämällä kreikkalaisia kirjoja arabiaksi.

Renessanssista nykyaikaan

Renessanssin aikana pappi nimeltä Nikolaus Kopernikus arveli planeettojen liikkeitä tarkastelemalla, että maapallo ei ollut kaiken keskipiste. Aiempien töiden perusteella hän sanoi, että Maa oli planeetta ja että kaikki planeetat liikkuivat auringon ympäri. Tämä toi takaisin vanhan ajatuksen heliosentrismistä. Galileo Galilei rakensi omat kaukoputkensa ja katsoi niiden avulla ensimmäistä kertaa tarkemmin tähtiä ja planeettoja. Hän oli samaa mieltä Kopernikuksen kanssa. Katolisen kirkon mielestä Galileo oli väärässä. Hän vietti loppuelämänsä kotiarestissa. Johannes Kepler ja Isaac Newton, joka keksi painovoimateorian, kehittivät pian heliosentrisiä ajatuksia.

Galileon jälkeen ihmiset valmistivat parempia kaukoputkia ja käyttivät niitä nähdäkseen kaukaisempia kohteita, kuten Uranus ja Neptunus. He näkivät myös, että tähdet olivat samanlaisia kuin Aurinkomme, mutta eri värisiä ja kokoisia. He näkivät myös tuhansia muita kaukaisia kohteita, kuten galakseja ja tähtisumuja.

Nykyaika

Vuoden 1920 jälkeisellä 1900-luvulla tähtitieteessä tapahtui merkittäviä muutoksia.

1920-luvun alussa alettiin hyväksyä, että galaksi, jossa me elämme, Linnunrata, ei ole ainoa galaksi. Muiden galaksien olemassaolon ratkaisi Edwin Hubble, joka tunnisti Andromedan tähtisumun eri galaksiksi. Hubble todisti myös, että maailmankaikkeus laajenee. Suurilla etäisyyksillä oli monia muita galakseja, ja ne ovat etääntymässä, etääntymässä meidän galaksistamme. Se oli täysin odottamatonta.

Vuonna 1931 Karl Jansky havaitsi radiosäteilyä Maan ulkopuolelta, kun hän yritti eristää radioviestinnän häiriölähdettä. Tämä merkitsi radiotähtitieteen syntyä ja ensimmäisiä yrityksiä käyttää sähkömagneettisen spektrin toista osaa taivaan havainnointiin. Ne sähkömagneettisen spektrin osat, joita ilmakehä ei estänyt, avautuivat nyt tähtitieteelle, mikä mahdollisti uusien löytöjen tekemisen.

Kun tämä uusi ikkuna maailmankaikkeuteen avautui, löydettiin aivan uusia asioita, esimerkiksi pulsareita, jotka lähettivät säännöllisesti radioaaltoja avaruuteen. Aaltojen luultiin aluksi olevan peräisin muukalaisilta, koska pulssit olivat niin säännöllisiä, että se viittasi keinotekoiseen lähteeseen.

Toisen maailmansodan jälkeisenä aikana perustettiin yhä enemmän observatorioita, joissa rakennettiin suuria ja tarkkoja teleskooppeja, joita käytettiin hyvillä havaintopaikoilla, yleensä hallitusten toimesta. Esimerkiksi Bernard Lovell aloitti radiotähtitieteen Jodrell Bankissa käyttäen jäljelle jääneitä sotilastutkalaitteita. Vuoteen 1957 mennessä siellä oli maailman suurin ohjattava radioteleskooppi. Vastaavasti 1960-luvun lopulla alettiin rakentaa erityisiä observatorioita Havaijilla sijaitsevalle Mauna Kealle, joka on hyvä paikka näkyvän ja infrapunaisen alueen teleskoopeille korkean sijaintinsa ja kirkkaan taivaan ansiosta.

Seuraava suuri vallankumous tähtitieteessä oli rakettitekniikan synty. Sen ansiosta teleskoopit voitiin sijoittaa avaruuteen satelliitteihin.

Avaruusteleskoopit mahdollistivat ensimmäistä kertaa historiassa pääsyn koko sähkömagneettiseen spektriin, mukaan lukien säteet, jotka ilmakehä oli estänyt. Röntgensäteet, gammasäteet, ultraviolettivalo ja osa infrapunaspektristä avautuivat tähtitieteelle, kun havaintoteleskooppeja käynnistettiin. Kuten spektrin muidenkin osien kohdalla, uusia löytöjä tehtiin.

1970-luvulta lähtien satelliitit laukaistiin, ja ne korvattiin tarkemmilla ja paremmilla satelliiteilla, jolloin taivas voitiin kartoittaa lähes kaikilta sähkömagneettisen spektrin osilta.

 
Galileon piirustukset Kuusta. Hänen piirroksensa olivat yksityiskohtaisempia kuin kenenkään muun ennen häntä, koska hän käytti kaukoputkea katsellessaan kuuta.  

Löydöt

Löytöjä on yleisesti ottaen kahdenlaisia: ruumiita ja ilmiöitä. Kappaleet ovat maailmankaikkeudessa olevia asioita, olipa kyseessä sitten maapallon kaltainen planeetta tai Linnunradan kaltainen galaksi. Ilmiöt ovat maailmankaikkeuden tapahtumia ja tapahtumia.

Rungot

Yksinkertaisuuden vuoksi tämä jakso on jaettu sen mukaan, missä nämä tähtitieteelliset kappaleet sijaitsevat: tähtien ympärillä sijaitsevat kappaleet ovat aurinkokappaleita, galaksien sisällä sijaitsevat kappaleet ovat galaktisia kappaleita ja kaikki muut suuremmat kappaleet ovat kosmisia kappaleita.

Aurinko

• Planeetat
• Asteroidit
• Comets

Galaktinen

• Tähdet

Hajallaan olevat kohteet:

• Nebulas
• Klusterit

Kompaktit tähdet:

• Valkoiset kääpiötähdet
• Neutronitähdet
• Mustat aukot

Kosminen

• Galaksit
• Galaksijoukot
• Superklusterit

Ilmiöt

Burst-tapahtumat ovat tapahtumia, joissa taivaalla tapahtuu äkillinen muutos, joka katoaa nopeasti. Niitä kutsutaan purkauksiksi, koska ne liittyvät yleensä suuriin räjähdyksiin, jotka tuottavat "energiapurkauksen". Niitä ovat mm:

• Supernovat
• Novas

Jaksoittaiset tapahtumat ovat tapahtumia, jotka toistuvat säännöllisesti ja toistuvasti. Nimitys jaksollinen tulee nimestä jakso, joka on aika, jonka aalto tarvitsee yhden jakson suorittamiseen. Jaksollisia ilmiöitä ovat mm:

• Pulsarit
• Muuttuvat tähdet

Meluilmiöt liittyvät yleensä asioihin, jotka ovat tapahtuneet kauan sitten. Näiden tapahtumien signaali pomppii ympäri maailmankaikkeutta, kunnes se näyttää tulevan kaikkialta ja vaihtelee voimakkuudeltaan vain vähän. Tällä tavoin se on "kohinaa", taustasignaalia, joka läpäisee kaikki tähtitieteessä käytettävät instrumentit. Yleisin esimerkki kohinasta on analogisissa televisioissa näkyvä kohina. Tärkein tähtitieteellinen esimerkki on kosminen taustasäteily.

 

Menetelmät

Välineet

• Kaukoputket ovat tärkein havainnointiväline. Ne keräävät kaiken valon suurelta alueelta ja kokoavat sen pienelle alueelle. Tämä on kuin tekisi silmistäsi hyvin suuret ja voimakkaat. Tähtitieteilijät käyttävät teleskooppeja tarkastellakseen kaukana olevia ja hämäräperäisiä asioita. Kaukoputket saavat kohteet näyttämään suuremmilta, lähempänä ja kirkkaammilta.
• Spektrometrit tutkivat valon eri aallonpituuksia. Tämä osoittaa, mistä jokin on tehty.
• Monet teleskoopit ovat satelliiteissa. Ne ovat avaruusobservatorioita. Maan ilmakehä estää joitakin sähkömagneettisen spektrin osia, mutta ilmakehän yläpuolella olevat erityiset teleskoopit voivat havaita kyseisen säteilyn.
• Radiotähtitieteessä käytetään radioteleskooppeja. Aukkosynteesissä yhdistetään pienempiä teleskooppeja ja luodaan vaiheistettu ryhmä, joka toimii kuin teleskooppi, joka on yhtä suuri kuin pienempien teleskooppien välinen etäisyys.

Tekniikat

Tähtitieteilijät voivat saada parempia kuvia taivaasta. Kaukaisesta lähteestä tuleva valo saavuttaa anturin ja mitataan, yleensä ihmissilmän tai kameran toimesta. Hyvin himmeiden lähteiden kohdalla lähteestä ei välttämättä tule niin paljon valohiukkasia, että se voitaisiin havaita. Yksi tähtitieteilijöiden käyttämä tekniikka, jolla se saadaan näkyviin, on integrointi (joka on kuin pidempi valotus valokuvauksessa).

Integrointi

Tähtitieteelliset lähteet eivät juurikaan liiku: ainoastaan Maan pyöriminen ja liike saa ne liikkumaan taivaalla. Kun valohiukkaset saapuvat kameraan ajan mittaan, ne osuvat samaan kohtaan, jolloin se kirkastuu ja näkyy taustaa paremmin, kunnes se voidaan nähdä.

Useimpien observatorioiden teleskoopit (ja satelliittivälineet) pystyvät yleensä seuraamaan lähdettä sen liikkuessa taivaalla, jolloin tähti näyttää teleskoopille liikkumattomalta ja mahdollistaa pidemmät valotukset. Kuvia voidaan ottaa myös eri öinä, joten valotukset voivat kestää tunteja, päiviä tai jopa kuukausia. Digitaalisena aikakautena taivaasta otettuja digikuvia voidaan lisätä yhteen tietokoneella, joka asettaa kuvat päällekkäin liikkeen korjaamisen jälkeen.

Adaptiivinen optiikka

Adaptiivinen optiikka tarkoittaa peilin tai linssin muodon muuttamista, kun katsot jotain, jotta näet sen paremmin.

Tietojen analysointi

Data-analyysi on prosessi, jossa tähtitieteellisestä havainnosta saadaan enemmän tietoa kuin pelkällä tarkastelemisella. Havainto tallennetaan ensin datana. Tämän jälkeen dataa analysoidaan eri tekniikoilla.

Fourier-analyysi

Matematiikan Fourier-analyysillä voidaan osoittaa, muuttuuko havainto (tietyn ajan kuluessa) jaksoittain (muuttuu kuin aalto). Jos näin on, sillä voidaan selvittää taajuudet ja aaltokuvion tyyppi ja löytää monia asioita, kuten uusia planeettoja.

 

Tähtitieteen osa-alueet

Pulssarit sykkivät säännöllisesti radioaaltoja. Nämä osoittautuivat samankaltaisiksi kuin jotkut (mutta eivät kaikki) röntgensäteilyä kirkkaasti säteilevistä lähteistä, joita kutsutaan pienimassaisiksi röntgensäteilykaksoisiksi. Kävi ilmi, että kaikki pulsarit ja jotkut LMXB:t ovat neutronitähtiä ja että erot johtuivat ympäristöstä, jossa neutronitähti oli. Ne LMXB:t, jotka eivät olleet neutronitähtiä, osoittautuivat mustiksi aukoiksi.

Tässä jaksossa pyritään antamaan yleiskatsaus tähtitieteen tärkeisiin aloihin.

Auringon tähtitiede

Aurinkotähtitiede on auringon tutkimusta. Aurinko on Maata lähin tähti noin 92 miljoonan (92 000 000) kilometrin päässä. Sitä on helpointa tarkkailla yksityiskohtaisesti. Auringon tarkkailu voi auttaa meitä ymmärtämään, miten muut tähdet toimivat ja muodostuvat. Auringossa tapahtuvat muutokset voivat vaikuttaa maapallon säähän ja ilmastoon. Auringosta lähtee jatkuvasti varattujen hiukkasten virta, jota kutsutaan aurinkotuuleksi. Maan magneettikenttään osuva aurinkotuuli aiheuttaa revontulet.

Planetaarinen tähtitiede

Planeettatähtitiede on planeettojen, kuiden, kääpiöplaneettojen, komeettojen ja asteroidien sekä muiden tähtiä kiertävien pienten kohteiden tutkimusta. Oman aurinkokuntamme planeettoja on tutkittu perusteellisesti monilla vierailevilla avaruusaluksilla, kuten Cassini-Huygens (Saturnus) ja Voyager 1 ja 2.

Galaktinen tähtitiede

Galaktinen tähtitiede on kaukana sijaitsevien galaksien tutkimusta. Kaukana olevien galaksien tutkiminen on hyvä tapa oppia omasta galaksistamme, sillä oman galaksimme kaasujen ja tähtien vuoksi sitä on vaikea havaita. Galaktiset tähtitieteilijät pyrkivät ymmärtämään galaksien rakennetta ja niiden muodostumista erilaisten teleskooppien ja tietokonesimulaatioiden avulla.

Gravitaatioaaltotähtitiede

Gravitaatioaaltotähtitiede on maailmankaikkeuden tutkimista gravitaatioaaltospektrissä. Tähän mennessä kaikki tähtitiede, jota on tehty, on käyttänyt sähkömagneettista spektriä. Gravitaatioaallot ovat avaruusajan aaltoilua, jota hyvin tiheät kohteet, kuten valkoiset kääpiöt, neutronitähdet ja mustat aukot, säteilevät muuttamalla muotoaan. Koska kukaan ei ole pystynyt havaitsemaan gravitaatioaaltoja suoraan, gravitaatioaaltotähtitieteen vaikutus on ollut rajallinen.

 

Aiheeseen liittyvät sivut