Появление гигантских наземных и космических телескопов существенно изменило наше представление не только о природе различных космических объектов, но и о Вселенной в целом. Вместе с тем содержание учебного материала не в полной мере отражает новые открытия в Солнечной системе, внегалактической астрономии, космологии, а в практикуме по астрономии педагогического вуза не уделено должного внимания подлинным научным наблюдениям, научным статьям, интернет-технологиям и т.п. Отсутствие отечественных электронных ресурсов позволило выйти на технологии зарубежных электронных материалов, содержащих современную научную и учебную информацию по дисциплине «Астрономия». В связи с этим возникает острая потребность в подготовке компетентного учителя, который должен обладать не только астрономическими знаниями, но и владеть современными информационными технологиями и методикой их использования в учебном процессе. Поэтому перед преподавателем ставится задача адаптации, раскрытия потенциала зарубежных электронных учебных материалов и разработки методики для их использования с целью оснащения курса астрономии современными электронными учебными средствами.
Выполнение лабораторных работ по астрономии очень важно, так как именно в практике возможно глубокое усвоение теоретического материала, овладение основными методами астрономических исследований, развитие умений оценивать научную информацию, применять современные информационные технологии [1; 2]. В этой статье, учитывая достаточно успешные результаты педагогического опыта по использованию зарубежных интернет-ресурсов в учебном процессе Школы педагогики ДВФУ [1; 3], рассмотрим в качестве примера электронные материалы Университета Западного Кентукки (США), адаптированные нами при выполнении лабораторного практикума по космологии.
Цель исследования
Ключевые вопросы современной астрофизики – определение расстояний до космических объектов. С помощью открытых в галактике М100 цефеид впервые было определено расстояние до скопления галактик в Деве и уточнено значение постоянной Хаббла. Отметим важность изучения этой темы для будущего учителя физики и астрономии. Всё вышеизложенное обусловило цель данного исследования – разработка лабораторной работы «Определение шкалы внегалактических расстояний» на основе исследования цефеид в галактике М100 космическим телескопом «Хаббл» и интерактивных электронных материалов Университета Западного Кентукки (США), практическая реализация и экспериментальное исследование для проверки эффективности применения в обучении.
Материал и методы исследования
Лабораторная работа «Определение шкалы внегалактических расстояний» оформлена в виде веб-страниц в формате HTML. Электронные материалы находятся в свободном доступе [4] и представляют собой оригинальные онлайн-ресурсы – интерактивные изображения галактики М100 на основе исследования в ней цефеид космическим телескопом «Хаббл» [5; 6].
В содержание работы входят теоретический материал и практические задания. В теоретическом материале изложены основы космологической шкалы расстояний во Вселенной, методы определения расстояний до космических объектов. Отдельными веб-страницами рассмотрены технологии получения интерактивных изображений галактики М100 для данной лабораторной работы. Следует подчеркнуть, что в работе используются реальные изображения галактики М100, полученные на космическом телескопе «Хаббл».
Итак, в работе предлагается определить расстояние до галактики М100 с помощью цефеид, которые необходимо найти на интерактивных изображениях. Галактика М100 одна из самых ярких и больших галактик в скоплении Девы. В этой лабораторной работе исследуется только область WF4 галактики М100 (рис. 1).
Рис. 1. Галактика М100 (HST, NASA)
На рисунке 2 представлена область WF4, разбитая на 64 интерактивные мини-области.
Рис. 2. Область WF4 галактики М100
Каждый участок сетки (рис. 2) открывается в увеличенном виде и представляет собой интерактивную область галактики, в которой есть цефеида. Выделенные области галактики представляют собой gif-изображения, в которых по изменению блеска необходимо найти цефеиду!
Практическую часть практикума мы разбили на четыре задания:
1. Поиск переменных звезд (цефеид) в галактике M100.
2. Определение расстояния до галактики М100.
3. Оценка постоянной Хаббла.
4. Определение возраста Вселенной.
Далее кратко рассмотрим основные методические аспекты, адаптированные нами для выполнения заданий.
На рисунке 3 показан один участок – это 1/64 часть выделенного изображения области WF4 для галактики М100. В области WF4 известно 26 цефеид. В работе предлагается найти 8 цефеид, в том числе цефеиды в демонстрационном примере С46 и С54.
Рис. 3. Поиск цефеид в галактике М100
Если объект, на который кликнули, не является известной цефеидой, то появится запись: Nope, not a known Cepheid... Если верно найдена цефеида – появится красный кружок, в котором обнаружена переменная звезда, и рядом – кривая блеска для данной цефеиды (рис. 4).
На рисунке 4 в качестве примера представлены найденные цефеиды (справа), обозначенные С46 и С54. Слева показаны графики, по которым необходимо определить среднее значение видимой звездной величины mv и период изменения блеска звезды. Видимая звездная величина на этих кривых блеска обозначается V (DoPHOT). Период Р определяется из кривой блеска (рис. 4). Так, для цефеиды С46 период P=25,3 (суток).
Почему цефеиды ценны в качестве индикаторов расстояния? Для цефеид установлена важная зависимость период-светимость. Поэтому, зная яркость звезды, можно вычислить, как далеко она находится.
Рис. 4. Примеры цефеид, найденных в галактике М100
Для того чтобы определить расстояние до галактики М100, необходимо найти абсолютную звездную величину для каждой цефеиды по формуле [4]:
Mv = – [2,76 (log10 P – 1,0)] – 4,16.
Например, цефеида С46 имеет абсолютную звездную величину:
Mv = – [2,76 (log10 25,3 – 1,0)] – 4,16 = –5,27.
Затем, зная видимую и абсолютную звездные величины, необходимо оценить расстояние до звезды. Видимую звездную величину mv определяют по графику (рис. 4).
В работе рекомендуется учесть данные: межзвездное поглощение (Av = 0,30) и данные калибровки (0,05) для WFPC изображений камеры космического телескопа «Хаббл» [5; 6]. Поэтому с учетом этих эффектов расстояние до галактики М100, в которой наблюдается цефеида, определится в работе по формуле [4]:
.
В первом задании студентам предложена рабочая таблица результатов.
Результаты лабораторной работы
|
Название цефеиды |
Область (номер сетки) |
Видимая звездная величина (средняя) m |
Период (дни) P |
Абсолютная звездная величина M |
Модуль расстояния m-M |
|
С46 |
47 |
25,3 |
25,3 |
-5,27 |
30,57 |
|
С54 |
55 |
26,1 |
21,3 |
-5,06 |
31,16 |
В качестве примера в таблице заполнены данные о цефеидах С46 и С54 из рисунка 4.
Вычислив модуль расстояния для каждой цефеиды, далее необходимо определить среднее значение модуля расстояния, а затем – расстояние до галактики.
В следующих заданиях определяются постоянная Хаббла и возраст Вселенной. Оценить постоянную Хаббла в лабораторной работе мы можем из закона Хаббла:
,
где 
– скорость удаления галактики М100 от нашей Галактики, d – расстояние до галактики. В работе используются данные [7]: скорость скопления галактик в Деве 1396±96 км/с.
В завершающем задании лабораторной работы необходимо оценить возраст Вселенной из значения постоянной Хаббла:
.
Студентам предлагается сравнить (рис. 5) полученные значения с современными научными результатами [8; 9], оценить их точность, сделать выводы и заполнить отчет к лабораторной работе.
Рис. 5. Значения постоянной Хаббла
Проблема определения возраста Вселенной – это проблема определения расстояния до галактик [10]. Знание расстояний до космических объектов необходимо для оценки их размеров, форм, изучения эволюции и физических процессов, происходящих в них, и др. Кроме того, расстояние до галактик дает возможность определить значение фундаментальных космологических постоянных, подтвердить или опровергнуть наше представление о Вселенной в целом. Таким образом, измерение расстояния – одна из важнейших задач современной астрофизики и космологии.
Результаты исследования
Результаты проведенного нами педагогического исследования выявили: усвоение материала будет более эффективным, если применяется комплекс электронных материалов, объединенных общностью темы, методикой её изложения, единым методическим подходом к использованию этих средств [1].
Весьма полезными для нас оказались и другие лабораторные работы, в которых используем иные методы определения расстояний до космических объектов: определение расстояния до рассеянных звездных скоплений методом подгонки главной последовательности, определение расстояния с помощью сверхновых Ia, определение расстояния с помощью красного смещения линий в спектрах галактик. Эти работы в практикуме мы разработали на основе использования современных научных данных и интерактивных возможностей электронных материалов зарубежных лабораторий [3]. Опыт показал, что такие материалы обладают более широким спектром возможностей в обучении астрономии студентов, обеспечивают частичное погружение студента в научно-исследовательскую среду, позволяют заложить основы естественно-научного мировоззрения, научного стиля мышления, развития навыков оценки и обобщения полученных результатов. Наряду с этим необходимо отметить: использование зарубежных электронных средств не вызывает проблем перевода, а, наоборот, стимулирует у студентов потребность в понимании иноязычного текста, демонстрирует возможности выполнения работы вместе с зарубежными студентами.
Заключение
Применение электронных средств обучения становится сегодня насущной потребностью в освоении курса астрономии на разных этапах обучения. Для их использования необходимо минимальное оснащение – компьютерный класс и доступ в сеть Интернет. Поэтому данная работа будет интересна и учителям физики, ведь астрономия вернулась в список обязательных школьных предметов. Изложение многих тем школьной программы по астрономии полезно сопровождать выполнением лабораторного практикума, в котором ученик выступает в роли исследователя, совершающего научные «открытия». А эту работу с поиском цефеид можно превратить в настоящее исследование!