216. Телескопи та їх можливості. Частина 2.

Урок №216. Телескопи та їх можливості. Частина 2.

---

Мета уроку:

• ознайомити учнів із різними ділянками електромагнітного спектра та пояснити, які типи телескопів використовуються для дослідження кожного з них;
• пояснити принципи роботи, будову та особливості розташування телескопів різних типів, а також їхні наукові відкриття

Цілі сталого розвитку: 

Які цілі сталого розвитку опрацьовуємо на уроці:

• ЦСР 9: Промисловість, інновації та інфраструктура
• ЦСР 12:  Відповідальне споживання та виробництво
• ЦСР 17: Партнерство заради сталого розвитку

Ключові слова:  електромагнітний спектр, телескоп, видиме світло, радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання, гамма-випромінювання, телескоп FAST, телескоп, телескоп Subaru, телескоп Hubble, телескоп JWST, обсерваторія Chandra, телескоп Fermi.

План уроку:

1. Мотивація
2. Теоретичний блок
3. Практична частина
4. Попрактикуй самостійно
5. Рефлексія

Очікувані результати для учнівства:

Очікувані результати для вчителя:

---

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 3 хв.

На фото зображена крабоподібна туманність на різних довжинах хвиль (рис.1)

Чому дослідження Крабоподібної туманності у різних діапазонах електромагнітного спектра (радіо, інфрачервоний, видиме світло, ультрафіолет, рентген, гамма-промені) дозволяє отримати набагато повніше уявлення про її будову та природу, ніж спостереження лише у видимому світлі?

---

Посилання на відео джерела:

---

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 7 хв.

Покажіть діаграму електромагнітного спектра, щоб учні бачили, де розташовані видиме світло, радіохвилі, інфрачервоне, ультрафіолетове, рентгенівське та гамма-випромінювання.
Підкресліть, що наші очі «бачать» лише малу частину спектра, але телескопи розширюють наші можливості.

Шкала (спектр) електромагнітних хвиль – безперервна послідовність частот і довжин електромагнітних хвиль, що існують у природі.

За способом випромінювання хвиль, що належать до тієї чи іншої ділянки спектра, розрізняють:

• низькочастотне випромінювання й радіохвилі;
• інфрачервоне випромінювання, видиме світло й ультрафіолетове випромінювання;
• рентгенівське випромінювання;
• гамма-випромінювання (рис.2).

Для дослідження кожного з цих типів випромінювання існують різні пристрої та способи.

Види телескопів: 

1. Оптичні телескопи

2. Радіотелескопи
Приймають радіохвилі від космічних об’єктів.

• Виглядають як великі параболічні антени.
• Дозволяють спостерігати космос незалежно від погодних умов та часу доби.

3. Інфрачервоні телескопи

• Фіксують теплове (інфрачервоне) випромінювання.
• Зазвичай встановлюються в космосі, бо атмосфера Землі погано пропускає інфрачервоні хвилі.

4. Ультрафіолетові телескопи

• Досліджують космос у діапазоні ультрафіолетових хвиль, які також не проходять через атмосферу.
• Використовуються для спостережень гарячих зір і галактик.

5. Рентгенівські телескопи

• Реєструють рентгенівське випромінювання, яке випромінюють гарячі об’єкти: чорні діри, нейтронні зорі, наднові.

6. Гамма-телескопи

• Досліджують космос у найенергійнішому діапазоні – гамма-випромінюванні.
• Використовуються для спостереження спалахів наднових, пульсарів, квазарів.

---

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 20 хв.

Поясніть, чому антена має параболічну форму – можна провести аналогію з дзеркалом у прожекторі або супутниковою тарілкою. Нагадайте що таке фокус. Продемонструйте фото з радіотелескопів (наприклад, зображення пульсарів або радіокарт галактик).

Завдання №1

Радіотелескоп – це прилад, призначений для приймання та аналізу радіохвиль, які випромінюють космічні об’єкти. На відміну від оптичних телескопів, що працюють із видимим світлом, радіотелескопи «бачать» Всесвіт у радіодіапазоні електромагнітного спектра, що дозволяє досліджувати явища, невидимі для звичайних телескопів (наприклад, газові хмари, пульсари чи радіогалактики).

Будова радіотелескопа (рис.3)

1. Антена (дзеркало) – велика параболічна тарілка, яка збирає та фокусує радіохвилі на приймач.
2. Приймач – перетворює радіохвилі на електричні сигнали.
3. Аналізатор сигналів – підсилює, фільтрує та обробляє отримані сигнали.
4. Комп’ютер – аналізує дані, створює карти та зображення на основі отриманих радіосигналів.

1. Чому основна антена радіотелескопа має параболічну форму?
   Відповідь: Поясніть, чому антена має параболічну форму – можна провести аналогію з дзеркалом у прожекторі або супутниковою тарілкою. Нагадайте що таке фокус. Продемонструйте фото з радіотелескопів (наприклад, зображення пульсарів або радіокарт галактик).
2. Чому конструкції радіотелескопів часто мають великі розміри?
   Відповідь: Радіохвилі мають велику довжину, а їхні сигнали слабкі, тому потрібна велика площа антени для збору достатньої кількості енергії.
3.  Чому для радіотелескопів не використовують лінзи або дзеркала зі скла? 
   Відповідь: Радіохвилі проходять крізь скло без заломлення, тому воно не може сфокусувати їх, на відміну від металевих рефлекторів.
4.  Чому радіотелескопи можуть працювати вдень і вночі, тоді як оптичні телескопи здебільшого — лише вночі?
   Відповідь: Радіохвилі не залежать від видимого освітлення, тому Сонце не заважає спостереженням у радіодіапазоні.

Радіотелескопи можна поділити на два основних типи:
Радіотелескопи з однією антеною Радіоінтерферометри (масиви антен) (рис.4).

5. Чому деякі радіотелескопи будують у вигляді антенних масивів, а не однієї великої антени?
   Відповідь: Масив антен легше побудувати та обслуговувати, він дозволяє отримувати високу роздільну здатність за принципом інтерферометрії.
6. Як розміри антени впливають на кількість сигналу, що її збирає радіотелескоп?
   Відповідь: Чим більший діаметр антени, тим більше хвиль вона збирає та тим сильніший сигнал.
7. Що було б складніше збудувати: один радіотелескоп діаметром 1000 м чи масив із сотень маленьких антен? Чому?
   Відповідь: Один телескоп на 1000 м технічно неможливо створити через вагу та деформації конструкції, тоді як масив антен легше масштабувати.

Найбільшим у світі радіотелескопом на сьогодні є FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope), розташований у провінції Гуйчжоу, Китай.

Характеристики FAST:

• Діаметр антени: 500 метрів (ефективна апертура ~300 м).
• Конструкція: стаціонарна параболічна антена, вбудована у природну карстову улоговину.

З моменту свого запуску в 2016 році, FAST відіграв важливу роль у відкритті кількох нових пульсарів, зробивши значний внесок у наші знання про ці загадкові небесні об’єкти, які випромінюють регулярні імпульси радіохвиль (рис.5).

8. З якої причини зазвичай будують подалі від міських поселень?
   Відповідь: Щоб уникнути радіоперешкод від телефонів, радіостанцій, Wi-Fi та іншої електроніки.
9. Якщо Земля має атмосферу, яка впливає на радіохвилі, чому не будують радіотелескопи у космосі так само часто, як оптичні?
   Відповідь: Атмосфера майже прозора для більшості радіохвиль, тому немає великої потреби у космічних радіотелескопах (вони дуже дорогі).
10. Що таке пульсари і чому вони є важливими об’єктами для дослідження радіотелескопами?
    Відповідь:  Пульсари — це нейтронні зірки, що випромінюють радіоімпульси з регулярними періодами; вони допомагають вивчати фізику матерії у надщільних станах та структуру Всесвіту.
11. Стаціонарний радіотелескоп – це радіотелескоп, головна антена якого не може обертатися чи змінювати своє положення. Таким і є телескоп FAST.  Але інженери вирішили проблему зміни напрямку спостереження. 
    Як це їм вдалося?
    Відповідь: Вони рухають не всю антену, а приймальний модуль, який переміщується над поверхнею дзеркала, змінюючи напрямок фокусування.

---

Завдання №2

На горі Мауна-Кеа (Гаваї, США, висота 4200 м) розташований один із найвідоміших оптичних і інфрачервоних телескопів світу — Subaru Telescope, а також кілька інших великих телескопів (наприклад, обсерваторія Кек) (рис.6).

1. Чим інфрачервоний телескоп відрізняється від радіотелескопа?
   Що ними спільного? Відповідь:
   Відмінності: Інфрачервоні телескопи вловлюють теплове (інфрачервоне) випромінювання, а радіотелескопи – радіохвилі з набагато довшими довжинами хвиль. Інфрачервоні телескопи мають дзеркала і працюють подібно до оптичних телескопів, а радіотелескопи мають великі параболічні антени.
   Спільне: Обидва прилади збирають і фокусують електромагнітні хвилі та потребують чутливих приймачів і комп’ютерної обробки сигналу.
2. Чому інфрачервоні телескопи потребують системи охолодження?
   Відповідь: Інфрачервоні телескопи чутливі до теплового випромінювання, а будь-яке нагріте обладнання саме випромінює інфрачервоні хвилі. Охолодження (до дуже низьких температур) зменшує власне теплове випромінювання телескопа, щоб воно не перекривало сигнал від космічних об’єктів.
3. Інфрачервоні телескопи зазвичай розміщують високо в горах та у місцях де сухий клімат. Чому?
   Відповідь:  Вода в атмосфері поглинає інфрачервоне випромінювання. У високогір’ї та в сухому кліматі повітря менш вологе та прозоріше для інфрачервоних хвиль, що підвищує якість спостережень.
4. Чому атмосфера Землі заважає спостереженням у інфрачервоному діапазоні?
   Відповідь: Атмосфера, особливо водяна пара та вуглекислий газ, поглинають значну частину інфрачервоного випромінювання. Це зменшує кількість сигналу, що доходить до телескопа, і заважає отримати чіткі зображення.

---

Завдання №3

Дружня порада вчителю

Використовуйте просту аналогію.
Поясніть, що Hubble «погано бачив», як людина без окулярів. Ремонт 1993 року – це як «одягнути окуляри», щоб зображення стало чітким. Розкажіть про складну місію ремонту.
Поясніть, що астронавти у відкритому космосі відремонтували телескоп, встановивши спеціальну компенсаційну оптику та нову камеру. Задайте питання: «Чому цей ремонт був таким важливим?» Згадайте, що Hubble допоміг визначити вік Всесвіту, знайти нові галактики та дослідити планетні системи. Покажіть кілька фото галактик або туманностей, зроблених телескопом.

Космічний телескоп Hubble – це орбітальний телескоп NASA та ESA, запущений 24 квітня 1990 року. Він працює на орбіті на висоті близько 540 км над Землею та спостерігає Всесвіт у видимому, ультрафіолетовому та ближньому інфрачервоному діапазонах (рис.7).

1. Телескоп Hubble може досліджувати космос у видимому діапазоні. У чому перевага таких досліджень в порівнянні з оптичними телескопами, які знаходяться на поверхні Землі?
   Відповідь: Телескоп Hubble знаходиться за межами атмосфери Землі, тому зображення не спотворюються атмосферними турбуленціями, як це буває в наземних телескопах. Він отримує більш чіткі та детальні фото.
2. Чи можна досліджувати всесвіт завдяки ультрафіолетовому випромінюванню з поверхні нашої планети, а не з космосу?
   Відповідь: Ні, ультрафіолетове випромінювання не проходить крізь атмосферу, тому УФ-телескопи встановлюють у космосі.
3.  Які типи небесних об’єктів найкраще спостерігати в ультрафіолетовому діапазоні?
   Відповідь: В УФ-діапазоні найкраще спостерігати гарячі зорі, молоді зоряні скупчення, залишки наднових та активні ядра галактик.
4. Які матеріали використовуються для дзеркал УФ-телескопів і чому звичайне скло не підходить?
   Відповідь: Для дзеркал УФ-телескопів використовують матеріали з високим коефіцієнтом відбиття УФ-променів (наприклад, алюміній із захисним покриттям з фториду магнію). Звичайне скло поглинає УФ-випромінювання.

Підрядники, які виготовляли велике дзеркало Hubble, неправильно налаштували пристрій, який використовувався для перевірки його кривої або форми під час остаточного процесу формування та полірування. Тому перед запуском не вдалося встановити дефекти на дзеркалі телескопа. Це призвело до зміщення фокусу на 1,3 мм.

5. Які матеріали використовуються для дзеркал УФ-телескопів і чому звичайне скло не підходить?
   Відповідь: Навіть похибка у 1,3 мм (тонша за волосину) зіпсувала фокус, і світло не збиралося в одну точку — фото були розмитими.
6. Чи зустрічаються у нас в житті ситуації коли певне зображення ми бачимо розмитим? Які на це причини?
   Відповідь: Так, наприклад, коли ми дивимося без окулярів, через забруднене скло чи недобре сфокусовану камеру зображення стає розмитим.

Виправити вади зору ми можемо за допомогою окулярів, контактних лінз або лазерної хірургії. Саме це NASA зробила з телескопом Hubble. У грудні 1993 року, під час однієї з найцікавіших і найскладніших космічних місій в історії, астронавти захопили орбітальний телескоп і повернули його у відсік корисного навантаження шатла. Там вони встановили пакет, що містив компенсаційну оптику, а також нову, вдосконалену камеру (рис.8).

Ця пара зображень однієї зірки під назвою Melnick 34, отриманих за допомогою камери телескопа Hubble до і після вдосконалення телескопу (рис.9)

7. Чому установка компенсаційної оптики була складною операцією на орбіті?
   Відповідь: Операція була складною, бо її проводили в космосі: потрібно було захопити телескоп, відкрити відсік та встановити складне обладнання у невагомості.
8.  Як ти вважаєш, чи виправдали ті ризики, на які пішли астронавти під час місії 1993 року?
   Відповідь:  Так, ризики виправдали себе — після ремонту Hubble почав робити високоякісні знімки, які змінили астрономію.
9. Порівняйте зображення. Поясніть у чому полягає відмінність у отриманих фото.
   Відповідь: Після встановлення компенсаційної оптики зображення стало різким, чітким та детальним, на відміну від розмитих фото до ремонту.
10. Як би змінилося наукове значення телескопа Hubble, якби цей ремонт не було проведено?
    Відповідь: Без ремонту телескоп не міг би зробити точні спостереження та стати одним із найважливіших наукових інструментів.
11. Чому порівняння з окулярами та лазерною корекцією зору є доречним для пояснення цієї ситуації?
    Відповідь: Як окуляри виправляють зір людині, так і компенсаційна оптика «виправила» зір Hubble, роблячи його зображення чіткими.

---

Завдання №4

James Webb Space Telescope (JWST) – найпотужніший космічний інфрачервоний телескоп, запущений 25 грудня 2021 року NASA у співпраці з ESA та CSA (рис.10). JWST працює в діапазоні 0,6–28 мкм, що дозволяє йому спостерігати перші галактики після Великого вибуху, вивчати формування зір і планетних систем, аналізувати атмосфери екзопланет та проникати крізь пилові хмари, недоступні для оптичних телескопів. Серед його відкриттів – найглибші зображення раннього Всесвіту, виявлення води й СО₂ в атмосферах екзопланет та спостереження процесів зореутворення у туманностях.

JWST прийняв наукову естафету від орбітального оптичного телескопа Hubble. Останній свого часу став справжнім проривом. Але тепер наука має новий і досконаліший інструмент, щоб заглянути глибше у Всесвіт.

1. Порівняй знімоки скупчення отримані JWST, із зображенням Hubble.
   Відповідь: На знімках JWST видно набагато більше далеких галактик, які виглядають детальнішими та яскравішими порівняно з фото Hubble, завдяки роботі в інфрачервоному діапазоні.
2. Які деталі стали помітними лише на знімку JWST? Чому галактики виглядають більш яскравими та чіткими на нових зображеннях?
   Відповідь: Лише JWST зміг показати дуже старі й тьмяні галактики на ранніх етапах еволюції Всесвіту. Інфрачервоне випромінювання дозволяє бачити об’єкти, приховані за пиловими хмарами.
3. Чому JWST бачить більше далеких галактик, ніж Hubble?
   Відповідь: JWST працює в інфрачервоному діапазоні, який «розтягує» світло далеких галактик через червоний зсув, тому він бачить значно далі в часі та просторі.В УФ-діапазоні найкраще спостерігати гарячі зорі, молоді зоряні скупчення, залишки наднових та активні ядра галактик.
4. Чи можна сказати, що JWST повністю замінив Hubble?
   Чому деякі завдання досі краще виконувати у видимому світлі?
   Відповідь: JWST не замінив Hubble повністю, бо Hubble досі ефективно працює у видимому та ультрафіолетовому діапазонах, що важливо для певних спостережень, де інфрачервоне випромінювання не дає необхідних даних.
5. Чому зображення JWST мають характерні «шестипроменеві зірки», а у Габбла їх немає?
   Відповідь: «Шестипроменеві зірки» на фото JWST з’являються через форму сегментованого дзеркала та його оптичну конструкцію. У Hubble суцільне дзеркало, тому таких ефектів немає.
6. Чому JWST потребує гігантського сонцезахисного екрана, а Hubble він не потрібен?
   Відповідь: JWST має сонцезахисний екран, щоб його інфрачервоні датчики залишалися холодними та не «засвічувалися» теплом Сонця. Hubble працює у видимому діапазоні, тому не потребує такого захисту.
7.  Чому дослідження атмосфери екзопланет (наприклад, виявлення води та СО₂) можливе лише для JWST?
   Відповідь: JWST може виявляти молекули у атмосферах екзопланет, бо інфрачервоне випромінювання дозволяє аналізувати спектри хімічних сполук, які не видно у видимому діапазоні.

---

Завдання №5

Рентгенівський телескоп – це надзвичайне обладнання, призначене для спостереження та аналізу рентгенівських променів з космосу. Рентгенівські промені зазвичай випромінюються космічними об’єктами, такими як нейтронні зірки, чорні діри, подвійні зоряні системи, залишки наднових, галактики та скупчення галактик. Запущена NASA у липні 1999 року  Chandra X-ray Observatory стала піонером у галузі рентгенівської астрономії (рис.12).

1. Чому рентгенівські телескопи, такі як Chandra, неможливо розташовувати на поверхні Землі?
   Відповідь: Рентгенівські телескопи не можна розташовувати на поверхні Землі, оскільки атмосфера повністю поглинає рентгенівське випромінювання, і жодні сигнали з космосу не досягають поверхні планети.
2. Чому рентгенівські телескопи не можуть використовувати звичайні дзеркала, як оптичні телескопи?
   Відповідь: Звичайні дзеркала не підходять для рентгенівського діапазону, тому що рентгенівські промені мають дуже велику енергію та легко проходять крізь матеріали, не відбиваючись. Для фокусування використовують спеціальні косі відбивні дзеркала під малим кутом (дзеркала Вольтера).
3. Чим рентгенівське випромінювання відрізняється від видимого світла за властивостями та джерелами?
   Відповідь: Рентгенівське випромінювання має значно коротші довжини хвиль і вищу енергію, ніж видиме світло. Його джерелами є екстремальні космічні об’єкти: чорні діри, нейтронні зірки, наднові, гарячі газові хмари.
4. Порівняй отримані Chandra зображення залишку наднової Краб з оптичними знімками Hubble. Що нового можна побачити у рентгенівському діапазоні (рис.13)?
   Відповідь: Зображення Chandra залишку наднової Краб показують потужні джети енергії та області високотемпературного газу, невидимі у видимому світлі. У рентгенівському діапазоні видно структуру пульсара та деталі його магнітосфери, яких немає на фото Hubble.
5. У чому особливість фото справа?

---

Завдання №6

Гамма-промені надходять з найекстремальніших місць у Всесвіті.
Вчені вважають, що більшість гама променів, які надходять до нас виникають через вибухи зірок, які перетворюються на чорні діри внаслідок колапсу їхніх ядер.
Більше половини відомих джерел гамма-випромінювання є загадковими.
Вчені не знають, що саме спричиняє випромінювання гамма-променів цими джерелами.
Один з найвідоміших гамма-телескоп – телескоп Fermi (рис.14).

1. Чому для спостереження гамма-променів телескопи потрібно розташовувати в космосі?
   Відповідь: Гамма-промені не проходять крізь атмосферу Землі, оскільки вона повністю поглинає це випромінювання. Тому телескопи для спостереження гамма-променів встановлюють у космосі, де немає атмосферних завад.
2. Чому більшість джерел гамма-променів залишаються загадковими для вчених?
   Відповідь: Більшість джерел гамма-променів залишаються загадковими, бо вони розташовані на величезних відстанях, випромінюють короткі та інтенсивні спалахи, а механізми їхнього утворення (наприклад, колапс зір чи зіткнення нейтронних зір) ще не повністю вивчені.

Супутник NASA Swift зафіксував гамма-вибух, спричинений утворенням чорної діри на відстані 12,8 мільярдів світлових років від Землі (внизу) (рис.15). Цей об’єкт є одним із найвіддаленіших об’єктів, які коли-небудь були виявлені.

3. Чому гамма-випромінювання дозволяє бачити події, які неможливо спостерігати у видимому світлі?
   Відповідь: Гамма-випромінювання має надзвичайно високу енергію і здатне проникати крізь газові та пилові хмари, які приховують події у видимому діапазоні. Це дозволяє бачити явища, що залишаються невидимими для оптичних телескопів.
4. Чому гамма-вибух на відстані 12,8 млрд світлових років вважається унікальним для досліджень?
   Відповідь: Гамма-вибух на відстані 12,8 млрд світлових років є унікальним, бо дає змогу досліджувати події, що відбувалися у ранньому Всесвіті, коли йому було менше 1 млрд років.
5. Яку інформацію про еволюцію Всесвіту можна отримати, спостерігаючи такі віддалені події?
   Відповідь: Спостерігаючи такі віддалені події, астрономи отримують інформацію про формування перших зір, чорних дір та галактик, а також про еволюцію хімічного складу і фізичних умов у молодому Всесвіті.

---

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 12 хв.
Додаткові симуляції :

• https://aladin.cds.unistra.fr/AladinLite
• https://viewspace.org

«Досліджуємо об’єкти Всесвіту у різних діапазонах»

Перейдіть на сайт NAOJ Multiwavelength Universe.
Оберіть один космічний об’єкт (наприклад, Крабоподібну туманність або Галактику Андромеди) та виконайте такі кроки.

1. Перегляньте об’єкт у двох діапазонах (наприклад, видиме світло та інфрачервоне).
   Опишіть 2–3 відмінності між зображеннями (що видно чіткіше або що з’являється нового).
2. Перегляньте цей же об’єкт у трьох і більше діапазонах (наприклад, додайте рентгенівський).
   Створіть таблицю спостережень з коротким описом, що видно в кожному діапазоні.
3. На основі своїх спостережень дайте відповідь на питання:
   Чому астрономи об’єднують дані з телескопів, що працюють у різних діапазонах, замість того, щоб використовувати лише один телескоп?

Рівень А: 1
Рівень В: 2
Рівень С: 2,3

---

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 3 хв.

Один факт – одне враження:
напиши один факт про телескопи, який тебе вразив, і поясни чому.

Урок №216. Телескопи та їх можливості. Частина 2.

---

Мета уроку:

• ознайомити учнів із різними ділянками електромагнітного спектра та пояснити, які типи телескопів використовуються для дослідження кожного з них;
• пояснити принципи роботи, будову та особливості розташування телескопів різних типів, а також їхні наукові відкриття

Цілі сталого розвитку: 

Які цілі сталого розвитку опрацьовуємо на уроці:

• ЦСР 9: Промисловість, інновації та інфраструктура
• ЦСР 12:  Відповідальне споживання та виробництво
• ЦСР 17: Партнерство заради сталого розвитку

Ключові слова:  електромагнітний спектр, телескоп, видиме світло, радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання, гамма-випромінювання, телескоп FAST, телескоп, телескоп Subaru, телескоп Hubble, телескоп JWST, обсерваторія Chandra, телескоп Fermi.

План уроку:

1. Мотивація
2. Теоретичний блок
3. Практична частина
4. Попрактикуй самостійно
5. Рефлексія

Очікувані результати для учнівства:

---

На фото зображена крабоподібна туманність на різних довжинах хвиль (рис.1)

Чому дослідження Крабоподібної туманності у різних діапазонах електромагнітного спектра (радіо, інфрачервоний, видиме світло, ультрафіолет, рентген, гамма-промені) дозволяє отримати набагато повніше уявлення про її будову та природу, ніж спостереження лише у видимому світлі?

---

Посилання на відео джерела:

---

Шкала (спектр) електромагнітних хвиль – безперервна послідовність частот і довжин електромагнітних хвиль, що існують у природі.

За способом випромінювання хвиль, що належать до тієї чи іншої ділянки спектра, розрізняють:

• низькочастотне випромінювання й радіохвилі;
• інфрачервоне випромінювання, видиме світло й ультрафіолетове випромінювання;
• рентгенівське випромінювання;
• гамма-випромінювання (рис.2).

Для дослідження кожного з цих типів випромінювання існують різні пристрої та способи.

Види телескопів: 

1. Оптичні телескопи

2. Радіотелескопи
Приймають радіохвилі від космічних об’єктів.

• Виглядають як великі параболічні антени.
• Дозволяють спостерігати космос незалежно від погодних умов та часу доби.

3. Інфрачервоні телескопи

• Фіксують теплове (інфрачервоне) випромінювання.
• Зазвичай встановлюються в космосі, бо атмосфера Землі погано пропускає інфрачервоні хвилі.

4. Ультрафіолетові телескопи

• Досліджують космос у діапазоні ультрафіолетових хвиль, які також не проходять через атмосферу.
• Використовуються для спостережень гарячих зір і галактик.

5. Рентгенівські телескопи

• Реєструють рентгенівське випромінювання, яке випромінюють гарячі об’єкти: чорні діри, нейтронні зорі, наднові.

6. Гамма-телескопи

• Досліджують космос у найенергійнішому діапазоні – гамма-випромінюванні.
• Використовуються для спостереження спалахів наднових, пульсарів, квазарів.

---

Завдання №1

Радіотелескоп – це прилад, призначений для приймання та аналізу радіохвиль, які випромінюють космічні об’єкти. На відміну від оптичних телескопів, що працюють із видимим світлом, радіотелескопи «бачать» Всесвіт у радіодіапазоні електромагнітного спектра, що дозволяє досліджувати явища, невидимі для звичайних телескопів (наприклад, газові хмари, пульсари чи радіогалактики).

Будова радіотелескопа (рис.3)

1. Антена (дзеркало) – велика параболічна тарілка, яка збирає та фокусує радіохвилі на приймач.
2. Приймач – перетворює радіохвилі на електричні сигнали.
3. Аналізатор сигналів – підсилює, фільтрує та обробляє отримані сигнали.
4. Комп’ютер – аналізує дані, створює карти та зображення на основі отриманих радіосигналів.

1. Чому основна антена радіотелескопа має параболічну форму?
2. Чому конструкції радіотелескопів часто мають великі розміри?
3.  Чому для радіотелескопів не використовують лінзи або дзеркала зі скла?
4.  Чому радіотелескопи можуть працювати вдень і вночі, тоді як оптичні телескопи здебільшого — лише вночі?

Радіотелескопи можна поділити на два основних типи:
Радіотелескопи з однією антеною Радіоінтерферометри (масиви антен) (рис.4).

5. Чому деякі радіотелескопи будують у вигляді антенних масивів, а не однієї великої антени?
6. Як розміри антени впливають на кількість сигналу, що її збирає радіотелескоп?
7. Що було б складніше збудувати: один радіотелескоп діаметром 1000 м чи масив із сотень маленьких антен? Чому?

Найбільшим у світі радіотелескопом на сьогодні є FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope), розташований у провінції Гуйчжоу, Китай.

Характеристики FAST:

• Діаметр антени: 500 метрів (ефективна апертура ~300 м).
• Конструкція: стаціонарна параболічна антена, вбудована у природну карстову улоговину.

З моменту свого запуску в 2016 році, FAST відіграв важливу роль у відкритті кількох нових пульсарів, зробивши значний внесок у наші знання про ці загадкові небесні об’єкти, які випромінюють регулярні імпульси радіохвиль (рис.5).

8. З якої причини зазвичай будують подалі від міських поселень?
9. Якщо Земля має атмосферу, яка впливає на радіохвилі, чому не будують радіотелескопи у космосі так само часто, як оптичні?
10. Що таке пульсари і чому вони є важливими об’єктами для дослідження радіотелескопами?
11. Стаціонарний радіотелескоп – це радіотелескоп, головна антена якого не може обертатися чи змінювати своє положення. Таким і є телескоп FAST.  Але інженери вирішили проблему зміни напрямку спостереження. 
    Як це їм вдалося?

---

Завдання №2

На горі Мауна-Кеа (Гаваї, США, висота 4200 м) розташований один із найвідоміших оптичних і інфрачервоних телескопів світу — Subaru Telescope, а також кілька інших великих телескопів (наприклад, обсерваторія Кек) (рис.6).

1. Чим інфрачервоний телескоп відрізняється від радіотелескопа?
   Що ними спільного?
2. Чому інфрачервоні телескопи потребують системи охолодження?
3. Інфрачервоні телескопи зазвичай розміщують високо в горах та у місцях де сухий клімат. Чому?
4. Чому атмосфера Землі заважає спостереженням у інфрачервоному діапазоні?

---

Завдання №3

Космічний телескоп Hubble – це орбітальний телескоп NASA та ESA, запущений 24 квітня 1990 року. Він працює на орбіті на висоті близько 540 км над Землею та спостерігає Всесвіт у видимому, ультрафіолетовому та ближньому інфрачервоному діапазонах (рис.7).

1. Телескоп Hubble може досліджувати космос у видимому діапазоні. У чому перевага таких досліджень в порівнянні з оптичними телескопами, які знаходяться на поверхні Землі?
2. Чи можна досліджувати всесвіт завдяки ультрафіолетовому випромінюванню з поверхні нашої планети, а не з космосу?
3.  Які типи небесних об’єктів найкраще спостерігати в ультрафіолетовому діапазоні?
4. Які матеріали використовуються для дзеркал УФ-телескопів і чому звичайне скло не підходить?

Підрядники, які виготовляли велике дзеркало Hubble, неправильно налаштували пристрій, який використовувався для перевірки його кривої або форми під час остаточного процесу формування та полірування. Тому перед запуском не вдалося встановити дефекти на дзеркалі телескопа. Це призвело до зміщення фокусу на 1,3 мм.

5. Які матеріали використовуються для дзеркал УФ-телескопів і чому звичайне скло не підходить?
6. Чи зустрічаються у нас в житті ситуації коли певне зображення ми бачимо розмитим? Які на це причини?

Виправити вади зору ми можемо за допомогою окулярів, контактних лінз або лазерної хірургії. Саме це NASA зробила з телескопом Hubble. У грудні 1993 року, під час однієї з найцікавіших і найскладніших космічних місій в історії, астронавти захопили орбітальний телескоп і повернули його у відсік корисного навантаження шатла. Там вони встановили пакет, що містив компенсаційну оптику, а також нову, вдосконалену камеру (рис.8).

Ця пара зображень однієї зірки під назвою Melnick 34, отриманих за допомогою камери телескопа Hubble до і після вдосконалення телескопу (рис.9)

7. Чому установка компенсаційної оптики була складною операцією на орбіті?
8.  Як ти вважаєш, чи виправдали ті ризики, на які пішли астронавти під час місії 1993 року?
9. Порівняйте зображення. Поясніть у чому полягає відмінність у отриманих фото.
10. Як би змінилося наукове значення телескопа Hubble, якби цей ремонт не було проведено?
11. Чому порівняння з окулярами та лазерною корекцією зору є доречним для пояснення цієї ситуації?

---

Завдання №4

James Webb Space Telescope (JWST) – найпотужніший космічний інфрачервоний телескоп, запущений 25 грудня 2021 року NASA у співпраці з ESA та CSA (рис.10). JWST працює в діапазоні 0,6–28 мкм, що дозволяє йому спостерігати перші галактики після Великого вибуху, вивчати формування зір і планетних систем, аналізувати атмосфери екзопланет та проникати крізь пилові хмари, недоступні для оптичних телескопів. Серед його відкриттів – найглибші зображення раннього Всесвіту, виявлення води й СО₂ в атмосферах екзопланет та спостереження процесів зореутворення у туманностях.

JWST прийняв наукову естафету від орбітального оптичного телескопа Hubble. Останній свого часу став справжнім проривом. Але тепер наука має новий і досконаліший інструмент, щоб заглянути глибше у Всесвіт.

1. Порівняй знімоки скупчення отримані JWST, із зображенням Hubble.
2. Які деталі стали помітними лише на знімку JWST? Чому галактики виглядають більш яскравими та чіткими на нових зображеннях?
3. Чому JWST бачить більше далеких галактик, ніж Hubble?
4. Чи можна сказати, що JWST повністю замінив Hubble?
   Чому деякі завдання досі краще виконувати у видимому світлі?
5. Чому зображення JWST мають характерні «шестипроменеві зірки», а у Габбла їх немає?
6. Чому JWST потребує гігантського сонцезахисного екрана, а Hubble він не потрібен?
7.  Чому дослідження атмосфери екзопланет (наприклад, виявлення води та СО₂) можливе лише для JWST?

---

Завдання №5

Рентгенівський телескоп – це надзвичайне обладнання, призначене для спостереження та аналізу рентгенівських променів з космосу. Рентгенівські промені зазвичай випромінюються космічними об’єктами, такими як нейтронні зірки, чорні діри, подвійні зоряні системи, залишки наднових, галактики та скупчення галактик. Запущена NASA у липні 1999 року  Chandra X-ray Observatory стала піонером у галузі рентгенівської астрономії (рис.12).

1. Чому рентгенівські телескопи, такі як Chandra, неможливо розташовувати на поверхні Землі?
2. Чому рентгенівські телескопи не можуть використовувати звичайні дзеркала, як оптичні телескопи?
3. Чим рентгенівське випромінювання відрізняється від видимого світла за властивостями та джерелами?
4. Порівняй отримані Chandra зображення залишку наднової Краб з оптичними знімками Hubble. Що нового можна побачити у рентгенівському діапазоні (рис.13)?
5. У чому особливість фото справа?

---

Завдання №6

Гамма-промені надходять з найекстремальніших місць у Всесвіті.
Вчені вважають, що більшість гама променів, які надходять до нас виникають через вибухи зірок, які перетворюються на чорні діри внаслідок колапсу їхніх ядер.
Більше половини відомих джерел гамма-випромінювання є загадковими.
Вчені не знають, що саме спричиняє випромінювання гамма-променів цими джерелами.
Один з найвідоміших гамма-телескоп – телескоп Fermi (рис.14).

1. Чому для спостереження гамма-променів телескопи потрібно розташовувати в космосі?
2. Чому більшість джерел гамма-променів залишаються загадковими для вчених?

Супутник NASA Swift зафіксував гамма-вибух, спричинений утворенням чорної діри на відстані 12,8 мільярдів світлових років від Землі (внизу) (рис.15). Цей об’єкт є одним із найвіддаленіших об’єктів, які коли-небудь були виявлені.

3. Чому гамма-випромінювання дозволяє бачити події, які неможливо спостерігати у видимому світлі?
4. Чому гамма-вибух на відстані 12,8 млрд світлових років вважається унікальним для досліджень?
5. Яку інформацію про еволюцію Всесвіту можна отримати, спостерігаючи такі віддалені події?

---

«Досліджуємо об’єкти Всесвіту у різних діапазонах»

Перейдіть на сайт NAOJ Multiwavelength Universe.
Оберіть один космічний об’єкт (наприклад, Крабоподібну туманність або Галактику Андромеди) та виконайте такі кроки.

1. Перегляньте об’єкт у двох діапазонах (наприклад, видиме світло та інфрачервоне).
   Опишіть 2–3 відмінності між зображеннями (що видно чіткіше або що з’являється нового).
2. Перегляньте цей же об’єкт у трьох і більше діапазонах (наприклад, додайте рентгенівський).
   Створіть таблицю спостережень з коротким описом, що видно в кожному діапазоні.
3. На основі своїх спостережень дайте відповідь на питання:
   Чому астрономи об’єднують дані з телескопів, що працюють у різних діапазонах, замість того, щоб використовувати лише один телескоп?

Рівень А: 1
Рівень В: 2
Рівень С: 2,3

---

Один факт – одне враження:
напиши один факт про телескопи, який тебе вразив, і поясни чому.