Svarbiausi astronomijos raidos etapai

Šis astronomijos raidos etapas apima laikotarpį nuo priešistorinių laikų iki XV a. Dangaus šviesuliai buvo stebimi plika akimi, o regimieji kampiniai atstumai tarp šviesulių dangaus sferoje ar jų padėtys horizonto atžvilgiu buvo matuojami paprastais kampų matavimo instrumentais. Šiame raidos etape sukauptos pirmosios žinios apie Saulės, Mėnulio ir planetų regimojo judėjimo dangaus sferoje dėsningumus. Taigi formavosi seniausia astronomijos šaka – astromètrija.

Astronomijos ištakos siekia priešistorinius laikus, kai dar jokios raštijos nebuvo. Archeologiniai duomenys liudija, kad astronominius reiškinius pirmykščiai žmonės stebėjo daugiau nei prieš 30 000 metų. Europoje ir kituose pasaulio žemynuose atrasta daug įvairių neolito laikotarpio akmeninių statinių (megalitų) ar jų liekanų (Stounhendžas (Viltšyras, Pietų Ánglija) (1.3.1 pav.), Niugreindžas (Airija), Almandrišo Kromlechas (Evora, Portugãlija), Nabtos akmenų ratas (Egiptas) ir kt.). Greičiausiai tai buvusios šventyklos (ir) arba kapavietės. Tačiau šie statiniai galėjo būti naudojami ir kaip dangaus šviesulių stebyklos arba kalendoriai, nes daugelis akmenų juose išdėstyti taip, kad jų vizavimo kryptys atitiktų svarbių astronominių įvykių kryptis. Pavyzdžiui, Saulės tekõs arba laidõs kryptis vasaros ir žiemos saulėgrįžą, Saulės ir Mėnulio tekos ir laidos kryptis kitais svarbiais metų laikų momentais. Tai rodo, kad neolito laikotarpio žmonėms buvo svarbu žinoti sezoninius Saulės ir Mėnulio tekos ir laidos krypčių svyravimus.

Tačiau astronomijos mokslo pradžios reikėtų ieškoti tose senovės civilizacijose, kuriose daug dėmesio buvo skiriama dangaus šviesulių bei su jais susietų reiškinių stebėjimams ir kurios turėjo savo raštiją, tad rašytinius dokumentus galėjo perduoti iš kartos į kartą. Iš senovės civilizacijų išsiskiria babiloniečiai, perėmusieji šumerų kultūrinį palikimą ir plėtojusieji savo kultūrą ir mokslą 2000–200 m. pr. Kr. Babilònijos astronomai daugelį šimtmečių rūpestingai stebėjo ir registravo Saulės, Mėnulio ir plika akimi matomų planetų padėtis bei judėjimą dangaus sferoje, Saulės ir Mėnulio užtemimus, kometų pasirodymus. Šie stebėjimų duomenys buvo naudojami sudarant kalendorius, apskaičiuojant Saulės, Mėnulio ir planetų padėtis dangaus sferoje ateinančiais metais. Tolesnė astronomijos plėtotė antikinėje Graikijoje, islamo šalyse ar Ìndijoje iš esmės rėmėsi Babilòno astronòmija.

Senóvės Graikijos astronomijos raidos etapas apima laikotarpį nuo VI a. pr. Kr. iki V a. Šio laikotarpio graikų astronomų ir filosofų darbai turėjo lemiamą įtaką tolesnei astronomijos raidai Europoje. Siekdami pavaizduoti stebimų dangaus šviesulių judėjimą ir apskaičiuoti jų padėtis dangaus sferoje ateinančiais metais mokslininkai kūrė geomètrinius mòdelius, kurie derėtų su stebėjimų duomenimis ir atitiktų euklidinės geometrijos loginius teiginius. Kurdami šiuos modelius graikų astronomai griežtai laikėsi nuostatos, kad visų dangaus kūnų judėjimas yra tolygus, o jų trajektorijos yra apskritimai arba apskritimų deriniai, nes manė, kad dangus yra tobulas, o apskritimas yra tobula kreivė.

Nežinia, kada graikai priėjo prie išvados, kad Žemė yra rutulio formos. Tuo jau aiškiai neabejojo Talis Miletietis (Thalēs ho Milēsios, apie 625–547 m. pr. Kr.). Jis taip pat teigė, kad Saulė apšviečia Mėnulį, ir numatė 585 m. pr. Kr. įvyksiantį Saulės užtemimą. Supratimą apie artimiausius dangaus kūnus gerokai praplėtė Pitagoras (Pythagoras, 570–495 m. pr. Kr.) su savo mokiniais. Jie aiškino, kad ne tik Žemė, bet ir Saulė, taip pat Mėnulis irgi yra rutulio formos, o Saulė, Mėnulis ir planetos sukasi aplink Žemę. Toks supratimas kilo tiesiogiai iš kasdienių stebėjimų: Žemės sukimosi požymių nejaučiame, tačiau regime tolygų parinį dangaus sukimąsi kartu su šviesuliais aplink Žemę. Šį įvaizdį pasigavo ir savaip patobulino vienas žymiausių graikų enciklopedininkų ir filosofų – Aristotelis (Aristotelēs, 384–322 m. pr. Kr.). Jis teigė, kad Visãtos centrè yra nejudanti Žemė, o aplink ją sukasi Mėnulį, Merkurijų, Venerą, Saulę, Marsą, Jupiterį, Saturną ir žvaigždes nešančios sferos, t. y. pasaulis yra geoceñtrinis. Tačiau šis modelis buvo tik konceptualus – jis neturėjo matematinio pagrindo (Aristotelis nebuvo astronomas) ir jo nebuvo galima panaudoti Saulės, Mėnulio ir planetų padėčiai dangaus sferoje apskaičiuoti. Nepaisant to, Aristotelio modelis dominavo Europos mokslo pasaulyje iki pat Renesanso.

Aristarchas Samietis (Aristarchos Samios, 310–230 m. pr. Kr.) buvo vienas iš nedaugelio mokslininkų, kurių darbai darė reikšmingą įtaką tolesnei astronomijos raidai. Remdamasis stebėjimais, jis pirmą kartą įvertino Saulės bei Mėnulio matmenis ir jų atstumus nuo Žemės. Tačiau svarbiausias Aristarcho pasiekimas buvo helioceñtrinio³ pasáulio mòdelis – alternatyva geocentriniam Aristotelio modeliui. Pagal šį modelį pasaulio centre yra Saulė, o aplink ją sukasi Žemė ir kitos planetos. Žvaigždžių nuotoliai, anot Aristarcho, yra nepaprastai dideli, palyginti su atstumu tarp Žemės ir Saulės. Dėl to neįmanoma pastebėti jų paralaksų. Tais laikais Aristarcho modelis nesulaukė palaikymo, nes, remiantis stebėjimais vien tik plika akimi, neįmanoma rasti jį pagrindžiančių įrodymų.

Kitas žymus senovės graikų astronomas buvo Hiparchas (Hipparchos, 190–120 m. pr. Kr.). Tikriausiai jis buvo pirmasis senovės Graikijos astronomas, vertinęs tikslių astronominių stebėjimų svarbą ir pats juos sistemingai vykdęs. Didžiausias jo darbas – 850 žvaigždžių, matomų plika akimi, katalogas. Jame surašytos žvaigždžių padėtys (koordinatės), žvaigždes pagal regimąjį spindesį suskirstytos į 6 klases. Tai vėliau tapo šiuolaikinės žvaigždžių ryškių skalės pagrindu. Kitas svarbus Hiparcho atradimas – precèsija, t. y. pavasario lygiadienio taško slinkimas į vakarus dangaus pusiauju (žr. 2.4.2 skyrelį.

Savo pirmtakų, senovės astronomų, tyrimus ir stebėjimus apibendrino įtakingiausias senovės graikų astronomas Klaudijas Ptolemajas (Klaudios Ptolemaios, 100–170) veikale „Almagestas“ (lot. Almagestum), kuriame aprašė ištobulintą matemãtinį geoceñtrinės pasáulio sistèmos mòdelį (žr. 2.9 posk. Taikant šį modelį Saulės, Mėnulio ir planetų regimąsias padėtis (koordinatès) buvo galima apskaičiuoti gana tiksliai pagal tuometinę sampratą daugeliui ateinančių metų į priekį. Dėl to šis modelis planetų padėtims apskaičiuoti buvo taikomas beveik 15 amžių iki tol, kol visuotinai buvo priimtas tikroviškesnis Mikalojaus Koperniko (Mikołaj Kopernik, 1473–1543) helioceñtrinės pasáulio sistèmos mòdelis (žr. 2.9 posk.

Šis raidos etapas, apimantis XVI–XVIII a., pasižymėjo sparčia astronomijos plėtra. Gimė nauja astronomijos šaka – dangaũs mechãnika. Astronominius stebėjimus plika akimi pakeitė stebėjimai su teleskopu – prasidėjo teleskopinių stebėjimų epocha. Teleskòpai atvėrė plačias galimybes tyrinėti Saulės sistemos kūnus ir objektus už Saulės sistemos ribų – žvaigždes, jų spiečius ir ūkus. Tačiau pro teleskopą matomus vaizdus vis dar reikėjo aprašyti arba nupiešti, nes vienintelis spinduliuotės detektorius buvo astronomo akis.

Astronomija Vakarų Europoje vėl atgijo Renesanso epochoje. Neabejotinai vėlesnėms mokslininkų kartoms didelę įtaką darė katalikų kardinolo Mikalojaus Kuziečio (Nikolaus von Kues, 1401–1464) filosofinės įžvalgos. Jis buvo įsitikinęs, kad mokslo žinios turi būti pagrįstos stebėjimais ir eksperimentais. Aplenkdamas savo laikmetį, Mikalojus Kuzietis teigė, kad Visata yra begalinė ir neturi kokio nors centro – nei Žemė, nei Saulė ar kas nors kitas neužima ypatingos padėties. Jis taip pat teigė, kad Žemė sukasi aplink Saulę ir kad kiekviena žvaigždė pati yra tolima saulė. Tačiau jis neaprašė moksliškai patikrinamos Visatos teorijos.

Vis dėlto šiuolaikinės astronòmijos pradžià paprastai siejama su lenkų astronomu Mikalojumi Koperniku, sukūrusiu helioceñtrinį Sáulės sistèmos mòdelį, kuriame visos planetos, tarp jų ir Žemė, juda aplink Saulę; aplink Žemę skrieja tik vienintelis jos palydovas Mėnulis. Kurdamas šį modelį, jis liko ištikimas senovės graikų ir viduramžių laikais vyravusiai nuostatai, kad planetų orbitos turi būti tobuli apskritimai. Šis modelis aprašytas veikale „Apie dangaus sferų sukimąsi“, kuris buvo išspausdintas 1543 m. (žr. 2.9 posk.).

Vokiečių astronomas ir matematikas Johanesas Kepleris (Johannes Kepler, 1571–1630) patobulino Kopèrniko mòdelį. Remdamasis itin tiksliais danų astronomo Ticho Brahės (Tycho Brahe, 1546–1601) stebėjimais jis nustatė, kad planetos juda ne apskritiminėmis, o elipsinėmis orbitomis. Apibendrindamas savo tyrimus 1609–1619 m. Kepleris suformulavo tris planètų judėjimo dėsnius, jie tapo dangaus mechanikos pagrindu.

Maždaug tuo pačiu metu, 1609–1610 m., italų fizikas ir astronomas Galileo Galilėjus (Galileo Galilei, 1564–1642) su savo konstrukcijos teleskopu pirmasis atliko dangaus šviesulių stebėjimus ir išsamiai juos aprašė. Galilėjaus stebėjimai įrodė, kad teleskopas labai praplečia akies galimybes pamatyti blyškesnius (dažnai ir tolimesnius) šviesulius bei nuodugniau juos ištirti, ir patvirtino helioceñtrinio mòdelio teisingùmą. Vystantis optikai ir tobulėjant optikos gamybos technologijoms buvo konstruojami vis didesni ir geresnės kokybės teleskopai, kurie tapo pagrindiniu dangaus šviesulių tyrimo įrankiu ateinančioms astronomų kartoms (1.3.2 pav.).

Fizikinį pagrindą Kèplerio dėsniams suteikė anglų fiziko Izaoko Niutono (Isaac Newton, 1643–1727) atrastieji dinãmikos dėsniai ir visúotinės traukõs dėsnis. Vėlesniais šimtmečiais ištobulinti dangaus mechanikos metodai taikomi Saulės sistemos kūnų ir žvaigždžių judėjimui tyrinėti, taip pat ir astronautikoje.

Kitas svarbus šio raidos etapo bruožas – šiuolaikinio tipo astronomijos observatorijų steigimas. Jose buvo statomi vis tobulesni ir vis didesni teleskopai ir jais stebimi astronominiai objektai ne tik Saulės sistemoje, bet ir už jos ribų. Saulės sistemoje buvo atrasta daug naujų objektų ir patikslinti Saulės sistemos matmenys. Astronomai ėmė labiau domėtis žvaigždžių pasauliu – matavo žvaigždžių koordinatès ir ryškiùs. Sistemingai stebint dangų buvo atrasta daug žvaigždžių spiečių ir ūkų. 1785 m. anglų astronomas Viljamas Heršelis (William Herschel, 1738–1822) pateikė pirmąjį mūsų Paũkščių Tãko galãktikos mòdelį.

Šis raidos etapas apima laikotarpį nuo XIX a. pradžios iki XX a. vidurio. Nors XIX a. dar pasižymėjo įspūdingais atradimais dangaus mechanikoje, bet tuo pat metu formavosi ir nauja astronomijos šaka – astrofizika, kuri sparčiai tobulėja iki šiol.

Reikšmingų pokyčių įvyko praktinės astrofizikos srityje. Vietoj vizualiųjų stebėjimų pradėta taikyti objektyvūs teleskopu surinktos šviesos srauto registravimo būdai – fotogrãfija ir fotoelektròniniai šviesõs detèktoriai. Pirmosios pro teleskopą matomų dangaus kūnų vaizdų fotografijos buvo gautos XIX a. viduryje, vos tik buvo išrasta fotografijos technologija. Iš karto paaiškėjo bent du fotografijos pranašumai, palyginti su vizualiaisiais stebėjimais:

1. nuotrauka, kurioje užfiksuotas tam tikro astronominio objekto atvaizdas tam tikru laiko momentu, tapo dokumentu, kurį galima daug kartų apžiūrėti ir nagrinėti šviesiame darbo kambaryje, taip pat išsaugoti ateities tyrimams;
2. nuotraukos fotografuojamos su ilgomis ekspozicijomis (nuo kelių minučių iki kelių valandų), todėl jose užfiksuojami ir matomi daug blyškesni objektai.

XX a. teleskopu surinktą šviesos srautą pradėta registruoti ir fotoelektròniniais detèktoriais (veikimas remiasi fotoefektù). Astronominio objekto šviesos srauto, užregistruoto su tam tikru detektoriumi, kiekybiniam vertinimui buvo išplėtota astronòminė fotomètrija.

Kitas svarbus žingsnis praktinėje astrofizikoje buvo astronòminių objèktų spèktrų tyrimai. Spèktras yra pagrindinis informacijos apie tolimą šviesą skleidžiantį (atspindintį) astronominį objektą šaltinis. Todėl kokybiškai naujas tyrimo etapas prasidėjo, kai XIX a. antroje pusėje prie teleskopo prijungus spektromètrą (spektrogrãfą) pradėta tyrinėti astronominių objektų spektrus.

XX a. pradžioje paaiškėjo, kokia didelė žvaigždžių, tarpžvaigždinių ūkų ir galaktikų įvairovė. Jų fizines savybes, sandarą ir evoliuciją ėmė tirti teòrinė astrofizika, o jai plėtoti buvo pasitelktos įvairios fizikos šakos: atomo ir atomo branduolio fizika, kvantinė mechanika, termodinamika, reliatyvumo teorija ir kt.

1930–1940 m. taip pat atsirado nauja praktinės astrofizikos kryptis – radioastronòmija, t. y. astronominių objektų skleidžiamų radijo bangų tyrimai radioteleskopais (1.3.3 pav.).

Tai šių dienų astronomijos raidos etapas, skaičiuojamas nuo XX a. vidurio. XX a. viduryje atsirado naujų techninių galimybių astronominiams tyrimams. Raketinės technikos ir astronautikos progresas XX a. antrojoje pusėje atvėrė galimybes iškelti į orbitą aplink Žemę dirbtiniùs palydovùs ir paleisti kòsminius zòndus ir erdvėlaivius tyrinėti Saulės sistemos kūnų. Į orbitą aplink Žemę buvo iškelti kosminiai teleskopai (1.3.4 pav.), kurie gali stebėti astronominių objektų spinduliuotę ir tuose spektro ruožuose, kuriems Žemės atmosfera nepralaidi, t. y. gama, rentgeno, ultravioletinių ir infraraudonųjų spindulių ruožuose. Taigi, astronomija tapo visabañgė. Į Žemę atgabentų Mėnulio uolienų tyrimai Žemės laboratorijose buvo lemiamas postūmis atsirasti naujai astronomijos šakai – astrogeològijai. Kitos astronomijos šakos – astrobiològijos  – plėtotę paskatino gyvybės požymių Marse paieška, vykdoma pagal Márso kòsminių tyrimų progrãmą. Taip pat buvo įkurti mokslinių tyrimų centrai sunkiai pagaunamų elementariųjų dalelių – neutrinų – srautams stebėti arba kompleksai gravitacinėms bangoms registruoti. Šiuo laikotarpiu buvo pastatyta ir pradėjo veikti daug pačių didžiausių optinių teleskopų ir radioteleskopų, aprūpintų jautriausiais spinduliuotės imtuvais ir pažangiausiomis kompiuterinėmis technologijomis. Kosmose skrieja daug visokios paskirties kosminių teleskopų.

Įvairiais teleskopais atliktų stebėjimų duomenys kaupiami skaitmeniniuose archyvuose, jie kasdien papildomi vis naujais duomenimis. Mokslinę vertę turinčius stebėjimų duomenis astronomai archyvuoja nuo seniausių laikų. Manoma, kad šiuo metu pasaulyje sukauptas apie 100 petabaitų (PB) astronominių duomenų kiekis kasdien padidėja maždaug 100 terabaitų (TB). Taigi, astronomija tapo didžiulius duomenų archyvus turinčiu mokslu. Vien tik analizuojant šiuos duomenis galima atskleisti naujus sąryšius tarp astronominių objektų fizinių charakteristikų, išskirti naujas objektų klases ir padaryti naujų atradimų. Tačiau didžiųjų duomenų archyvams valdyti ir tirti reikia sukurti naujus metodus, nes tradiciniais būdais tokių didelių duomenų neįmanoma apdoroti. Šioms problemoms spręsti pasitelkiami didžiųjų duomenų analitikai. Vienas žingsnis šioje srityje jau žengtas – sukurtos virtuãliosios astronòmijos observatòrijos.