Введение

Некоторое время назад я дома решил посмотреть, что нового появилось на тему космоса за последнее время. За этим делом меня застал мой 7 летний сын, проявив большой интерес к этой тематике. Пока я ломал голову, как просто и доходчиво, а также в каком именно объеме дать ребенку информацию по космосу, я наткнулся на статью, где написано, что принято решение вернуть в российские школы предмет «Астрономия» в 2017-2018 учебном году, но только с 11 класса. Это и стало тем событием, которое подвигло меня написать эту статью, чтобы помочь ознакомить с азами астрономии детей до 11 класса.

По сути 7 летний ребенок является представителем определенной выборки пользователей, которая либо интересуется астрономией уже сейчас, либо заинтересуется ей в будущем. Именно для них, а также для тех, кто будет давать знания о звездах я предлагаю попробовать приведенных ниже способ. Основной идей является генерация Галактики с использованием реальных данных (эту часть я беру на себя), и последующее использование результата генерации либо в играх, либо в качестве учебного пособия теми, кто хотел бы сделать изучение астрономии более интересным…

Теория

Основной и наиболее полной информацией, описывающих звезды, в настоящее время являются:

• Основная (гарвардская) спектральная классификация звезд.
• Йеркская классификация с учётом светимости (МКК).
• Диаграмма «Герцшпрунга – Рассела» (см. рисунок ниже).

Диаграмма «Герцшпрунга – Рассела»

Гарвардская классификация определяет абсциссу диаграммы Герцшпрунга – Рассела, а Йеркская – положение звезды на этой диаграмме.

Основная информация, которую можно подчерпнуть из этих источников, это то, что все звезды разделены на классы по их цвету, что они бывают разных размеров и что класс и размер зависят друг от друга. Чтобы не путаться в размерах, можно дополнительно ввести всем понятную градацию размера от 1 (любые карлики) до 5 (любые гиганты), где размеры от 2 до 4 достаются звездам основной последовательности.

Теперь довольно большой объем информации можно свести в очень простую систему «Класс, Цвет, MIN размер, MAX размер»:

• O, Голубой, 2, 4
• B, Бело-голубой, 1, 4
• A, Белый, 1, 4
• F, Жёлто-белый, 1, 5
• G, Жёлтый, 1, 5
• K, Оранжевый, 1, 5
• M, Красный, 2, 5

Теперь, когда мы знаем какие бывают звезды, остается учесть некоторые наиболее распространенные или просто вызывающие интерес особенности звезд:

• Сверхновая звезда – это звезда, заканчивающие свою эволюцию в катастрофическом взрывном процессе. Вспышка при этом может быть на несколько порядков больше чем в случае новой звезды. Столь мощный взрыв есть следствие процессов, протекающих в звезде на последний стадии эволюции.
  
  
• Двойная звезда – это две гравитационно связанные звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс. Иногда встречаются системы из трех и более звезд, в таком общем случае система называется кратной звездой. В тех случаях, когда такая звездная система не слишком далеко удалена от Земли, в телескоп удается различить отдельные звезды. Если же расстояние значительное, то понять, что перед астрономами двойная звезда удается только по косвенным признакам — колебаниям блеска, вызываемым периодическими затмениями одной звезды другою и некоторым другим.
  
  
• Пульсары – космические источники электромагнитных излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков (импульсов). Согласно доминирующей астрофизической модели, пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звёзды с магнитным полем, которое наклонено к оси вращения. Когда Земля попадает в конус, образуемый этим излучением, то можно зафиксировать импульс излучения, повторяющийся через промежутки времени, равные периоду обращения звезды. Некоторые нейтронные звёзды совершают до 600 оборотов в секунду.
  
  
• Черные дыры относятся к наиболее странным и привлекательным объектам космического пространства. Они являют собой чрезвычайно плотные формации, сила притяжения которых настолько велика, что даже свет не способен избежать этих объятий. Когда звезда использует свое последнее топливо, начинается процесс ее отмирания. У светил меньших размеров (около одной третьей массы Солнца) новое ядро набирает формы нейтронной звезды или белого карлика. Но, когда умирает большая звезда, она обрушивается внутрь самой себя, создавая, таким образом, звездную черную дыру.

Требования к генерации

Теперь, вооружившись теорией, можно прикинуть, что собственно хочется и какие общие требования должны учитываться при генерации:

• Размер Галактики по количеству звезд должен варьироваться от менее сотни до несколько тысяч.
• Размеры, спектральные классы и особенности звезд должны быть взяты из современных классификаций.
• Для наименования звезд должны использоваться наименования реально существующих звезд и созвездий. При этом желательно, чтобы кроме наименования с реальностью совпадали ее класс, размер и особенность.
• Для наименований звезд вне созвездий имена должны генерироваться как номер.
• Галактика должна иметь туманности.

Самым лучшим образом знания запоминаются во время игры, для этого в Галактику нужно добавить немного того, что есть почти во всех современных играх на космическую тематику.
Давайте представим, что есть некая гипотетическая игра «Deep Deep Space», в которой все звезды в Галактике соединены звездными путями друг с другом, где есть Wormhole и много другого интересного. Тогда к указанным выше требованиям добавятся следующие:

• Галактика должна быть плоской, с равномерным распределением звезд по всех площади, либо заполнением только определенной области, задаваемой шаблоном.
• На карте любого размера должны присутствовать все возможные типы звезд (без учета реального процентного соотношения между классами)
• Все звезды Галактики должны быть соединены звездными путями друг с другом.
• Количество путей для звезды должно быть от 1 до 5.
• Пути между звездами не должны пересекаться между собой или пересекать другие звезды.
• В Галактике должны быть несколько Wormhole, которые могут пересекать звездные пути, но не могут пересекаться между собой или пересекать другие звезды.
• Цвета звездных путей и Wormhole должны отличаться.

Осталось добавить требования к результату:

• Результат генерации должен быть представлен в виде карты Галактики графическом виде (либо другом формате, который можно просто визуализировать) для визуального контроля и выбора для дальнейшего использования.
• На карте в графическом виде, размеры, спектральные классы и особенности звезд должны быть четко видны и однозначно идентифицироваться.
• Карта в графическом виде должна иметь обозначения (легенду), для всех размеров, спектральных классов и особенностей звезд, которые могут встретиться на карте.
• Должна быть возможность корректировать и просматривать карту в графическом виде без использования проприетарного софта на любой конфигурации компьютера, которые ставят в школы и дома.
• Результат генерации должен быть представлен в XML для дальнейшего использования разработчиками.

Генерация

Я не буду акцентироваться на этом моменте, все-таки статья не про это. Скажу только, что после некоторого размышления я пришел к тому, что генерация Галактики состоит из следующих шагов:

• Генерация слоя туманностей.
• Установка звезд группами по 3х3 секторов, в каждом из которых добавляется по одной звезде для каждого класса и несколько черных дыр – всего 65 звезд. Этим выполниться требование по равномерности.
• Установка созвездий, в которой звездам присваиваются имена и атрибуты реальных звезд.
• Установка особенностей в определенном количестве звездам, не принадлежащим к созвездиям.
• Добавление звездных путей и wormholes.
• Формирования результата в графическом виде.
• Формирования результата в XML формате.

В результате получаем вот такую случайную карту для размера 1х1:



Размеры карты могут быть любые от 1х1 (65 звезд) до 10х10 (6500 звезд).

Использование результата в практических занятиях

Когда в известном фильме мастер Йода говорил: «И да пребудет с Вами Сила!», возможно он имел ввиду в т. ч. и мощь формата SVG. Это текстовый векторный формат, который поддерживается всеми современными браузерами. Карта, приведенная выше, почти полностью нарисована в нем (кроме туманностей и фона).

Идея использование результата в том, чтобы на занятиях ребенок сам нарисовал сектор Галактики или созвездие. Для этого понадобится:

• Компьютер.
• Заготовка текстового SVG файла с пустой картой Галактики.
• Карточка с координатами и атрибутами звезд (либо другим вариантом задания)

Далее участники вставляют звезды из карточки по тем координатам, которые описаны в карточке или просто в рамках своего сектора. Пример описания одной звезды приведен ниже:



Здесь 1-я строка выводит наименование звезды, 2-я – кольцо вокруг звезды, имитирующее излучение и третья – саму звезду. Таким образом нужно поменять координаты объектов, для «circle» задать радиусы и номер «fill:url», который соответствует классу. При необходимости звезды соединяются линиями. Пример описания линии приведен ниже:



Вся прелесть в том, что результат можно посмотреть сразу на любом компьютере. Хорошей идеей является дать возможность ребенку добавить дополнительную звездочку, назвав ее своим именем и самостоятельно решив где она будет располагаться, а также какого размера и класса она будет. В конце тот, кто ведет занятие легко простым copy-past может объединить сектора, нарисованные группой в одну карту. Либо сразу будет получен готовый результат, если одним участником рисуется одно созвездие, например — какого либо знака зодиака (см. рисунок ниже).



Результатом подобных занятий станет то, что дети получат твердые базовые знания по классификации звезд, смогут отлично ориентироваться в созвездиях и никогда не спутают Бело-голубой «Ригель» с красным «Бетельгейзе», шокируя взрослых неожиданно глубокими знаниями созвездий, звезд и их особенностей. На этом все – оригинальных Вам идей и интересных занятий!