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Astronomy 2021A/B

Astronomy Chapter 2: The Science of Life in the Universe Reading Notes ­ While ancient people could do little more than guess about the possibility of  finding life elsewhere, we can now study this possibility with  the powerful  methods of modern science ­ Use science to help understand the conditions under which we might expect to  find life, the likely characteristics of life elsewhere, and the methods we can use  to search for it 2.1 The Ancient Debate About Life Beyond Earth ­ Greek debated about it over 2300 years ago ­ Focused at first on the mythological (planets being named after mythological  gods) o But greek scholars sough rational explanations  How did Attempts to Understand the Sky start us on the Road to Science? ­ initially used the sky to recognize wave patterns and how the sun tells the time  (helped with agriculture) ­ Proof of Chinese writings (5000) and Babylonian (2500 years ago helping them  predict eclipses) ­ Most people explored for religious and practical purposes it wasn’t until the  Greeks started exploring to understand architecture of the cosmos ­ Early Greek Science o Well established power by 500 BC o Began to move human understanding of nature from the mythological to  the rational o Trace origin of Greek science to philosopher Thales  First to address what the universe was made of  without  supernatural (guessed the earth was a flat disk on an infinite ocean) o Plato and Aristotle continued ths search o None of these ideas rose quite to modern science because of Greek’s  reliance on thought and intuition rather than observation o At least 3 innovations Greek thought help pave the way for  1. Developed a tradition of trying to understand nature without  resorting to supernatural explanations • tradition of challenging virtually every new idea  2. Developed mathematics in the form of geometry (without this  would not have tried to make sense of the cosmos)  3. Understood that an explanation about the world could not be  right if it disagreed with observed facts (crucial to modern science) ­ The Geocentric model o Greeks synthisize all three innovations into the idea of creating models of  nature o A scientific model is a conceptual representation whose purpose is to  explain and predict observed phenomena o Anaxiander  Student of Thales  In an attempt to explain the way the sky appears to turn around the  pole star each day, suggested that the heavens for the celestial  sphere around earth  Realized Earth’s surface must be curved though he thought it was  cylindrical o Pythgoras  By 500 BC being taught that the earth was round • Most likely for philosophical reasons: had mustical interest  in mathematical perfection and considered the sphere  geometrically perfect o Aristotle   Cited observations of Earth’s curved shadow on the Moon as  evidence for spherical earth o These formed the Greek’s geocentric model o Debunked the idea that Columbus discovered that the Earth was round  Greek scholars even quite accurately predicted the earth’s  circumference ­ The Mystery of Planetary motion o While the patterns of the constellations seem not to change, the Sun, the  Moon and the five visible planets (Mercury, Venus, Mars, Jupiter, Satrun)  gradually move o Planet vomes from the Greek for “wanderer”; originall refered to the Sun  and Moon as well o Our seven day week is traceable to the fact that seven planets are visile in  the heavens o “Moonth”: moon rotating around earth every month and the Sun every  year  accounted for this by saying there were separate spheres for the  Sun and Moon o Apparent retrograde motion: “backward”; while planets usually move  eastward relative to constellations, sometimes they reverse course and go  backward  Not easy to explain with rotating spheres especially with the belief  that they moved in perfect circles o Ptolemaic model: reproduced retrograde motion by having planets move  around the earth on small circles that turned around larger circles  A planet following this circle on circle motion traces a loop as seen  from Earth, ith the backward portion of the loop mimicking  apparent retrograde motion  Model could forecast future planetary positions to withi a few  degrees of arc  Generally worked so well that it remained in use for 1500 years  Arabic scholars called it Almagest; “the greatest compilation” ­ An Alternative Model o Aristarchus; 260 BC, Greek scientist  Suggested that Earth goes around the Sun (offers a much more  natural explanation for apparent retrograde motion)  Never actually changes direction, only appears to do so  His view was rejected often for philosophical reasons and not  based on evidence • Also, it seemed inconsistent with observations of stellar  positions in the sky o Stellar positions  Possible explanations: earth is in the centre or stars were different  distances (did not seem plausible)  As Earth obits the Sun, we look at particular stars from slightly  diffeent positions at different times of year, causing the positions of  nearby stars to shift slightl relative to more distant stars • Could not see shift with naked eye, need teescopes to see  this  Stellar parallax: annual shifts in stellar position which provide  concrete proof that Earth really does go around the sun ­ The Roots of Modern Science o Greeks ultimately rejected that Earth orbits the Sun  Notion of perfect circles  Focused on aesthetics instead of data but also made effort to ensure  models were consisten t with observations laying the foundation  for modern science o Aristarchus’ Sun centred model was not believed by the greeks but 18— years later was taken up by polish astronomer, Nicholas Copernicus Why did the Greeks Argue about the Possibility of life beyond earth? • ­Greeks considered the world to include both Eart and the heavenly spheres that  they imagined to surround it and were open to the possibility that other such  worlds might exist • Anaximander imagined the mystical element called aperon or “infinite” - All materal things arose from and returned to the aperion which allowed him to  imagine that worlds might be born and die through eternal time - Consensus that the worlds were built by 4 elements: fire water earth and air o Two schools of thought • Atonomists: held that both Earth and the heavens were made from  an infinite nmber of indivisible atoms of each of the four elements • Aristotelians: held that the four elements—not necessarily made  from atoms­­­were confined to the realm of Earth, while the  heavens were made of a distinct fifth element, often called the  aether (or ether) or the quintessence (“fifth element) - Atonomist o Democritus • Idea led almost inevitably to the belief in extraterrestrial life • Argued the world was created by random motions of infinite  atoms; natural to assume infinite atoms could create other worlds o Epicurus: “There are infinite worlds both like and unlike this world of  ours…we must believe that in all worlds there are living creatures and  plants and other things we see in this world” - Aristotelian o Each of the elements had its own motion and pace (i.e. earth moves  toward the centre of the universe; earth­centred) o Physic rules that were not disproved until Galileo and Newton o If there was more than one world there would be more than one natural  place for the elements to go • :The world must be unique…There cannot be several worlds o Aquinas integrated his works into Chriistian theology • Atonomism became associated with atheism 2.2 The Copernican Revolution - 330 BC: Alexander the Great sought to expand the Greek Empire throughout the  Middle East o established the city of Alexandria in Egypt o Library of Alexandria; greatest library the world had ever seen o When it was destroyed most of the ancient Greek writings were lost - Baghdad o European civilization fell into dark ages but Islam sought knowledge of  math and astronomy to better understand Allah so they translated as  saved remaining Greek works o Went on to develop algebra o Synthesized surviving Indian and Chines works as well o Knowledge spread through Byzantine Empire (eastern Roman empire) • When Constantinople fell, Eastern scholars headed to Europe  carrying the knowledge and igniting European resistance How did the Copernican Revolution Further the development of Science? - In 1543, Copernicus published “Concerning the Revolutions of the Heavenly  Spheres” o Launched the Copernican revolution o Revived Aristarchus’s Sun­centred system and proposed math that made it  competitive with the Ptolemaic model - Copernicus: The Revolution Begins o Leader Alphonso X “If I had been present at the creation, I would have  recommended a simpler design for the universe”  Saw the study as too difficult to tackle o Copernicus was drawn to Sun centred model probably because of the  simple explanation for apparent retrograde motion o Worked out mathematical details  Geometric relationships calculating orbital period and relative  distance (in relation to Earth­Sun distance) o First publication of hi book on the first day he died o Problems  Did not catch on for 50 yers  Still held that heavenly motion must occur in perfect circles  (included circles on circles like Ptolemy) - Tycho: A New Standard in Observational data o Telescope not yet invented, only naked eye o Tycho built large naked eye observatories which over 3 decades he used to  measure planetary positions to within 1 minute of are (less than the  thickness of a fingernail) - Kepler: A Successful model of Planetary Motion o Hired by Tycho to help him make sense of his observations o Believed understanding it would bring him closer to God o Still used the perfect circles which ended up being 8 arciminutes off  Tycho’s observations so he ultimately abandoned circular orbits o He found that planetary orbits take the shapes of ovals known as  ellipses o Keplar’s laws of planetary motion  First law: The orbit of each planet about the Sun is an ellipse with  the Sun at one focus • Perihelion: planet’s closest point to the sun “near the sun” • Aphelion: “away from the sun” • Semimajor axis: the average of a plaet’s perihelion and  aphelion is the length of its semimajor axis (planets average  distance from the sun)  Second Law: as a planet moves around its orbit, it sweeps out  equal areas in equal times • Moves greater distance near perihelion than it does in the  same time near aphelion • Planet sweeps out equal areas in equal times as it orbits the  sun  Third Law: more distant planets orbit the sun as slower av
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