Hvězdy a galaxie – maturitní otázka

 

   Otázka: Hvězdná astronomie – Hvězdy a galaxie

   Předmět: Fyzika

   Přidal(a): Rudykopalson

 

 

Hvězdy a galaxie – Hvězdná astronomie

• Ostatní hvězdy (kromě Slunce) vidíme jako body -> můžeme zjistit omezené množství jejich vlastností – zářivý výkon, zabarvení, povrchová teplota, chemické složení atmosférya v příznivých případech také hmotnost, poloměr, střední hustotu, dobu rotace, intenzitu magnetického pole – stavové veličiny(popisovány čísly) – pomocí těchto veličin hledání souvislostí, časový vývoj, určení vnitřní stavby
• Hvězdy poznáváme díky záření (světlo, radiové vlny, infračervené, ultrafialové, rentgenové a gama)
• Používáme zjednodušené modely hvězd (např. jaká by mohla být vnitřní stavba hvězdy, pokud vezmeme v úvahu tohle pozorování a fyzikální zákony -> a jaké by mohlo bát záření kdyby….) – jsou velice přesné, liší se o jednotky % oproti skutečnosti. Jelikož pozorujeme velký počet hvězd, tak můžeme porovnávat model v časových stádiích.
• Dvojhvězdy = dvě hvězdy obíhající okolo společného těžiště (troj/čtyř/…hvězdy), jen necelá polovina jsou hvězdy osamocené (jako naše Slunce)
  • 2 možnosti jak rozeznat dvojhvězdu od hvězdy jednoduché:
    • Zákrytové = pro pozorovatele na Zemi se při oběhu zakrývají v pravidelných intervalech -> jasnost sílí a slábne
    • Spektroskopické = pravidelné posouvání čar spektra k červenému a zase k fialovému konci -> zdroj světla se přibližuje a vzdaluje -> vidíme jednu nebo dokonce obě složky
  • Proměnné hvězdy= hvězdy pravidelně měnící svou jasnost (hodiny, desítky dní)
  • Novy = zvláštní druh proměnných hvězd, náhle zvětší svoji jasnost a po několika desítkách dní ji ztratí a jasnost může být ještě menší než na začátku
  • Supernovy = hvězdy, které zvětší svoji jasnost (mnohem více než novy) a poté se začne hroutit ke středu (nastává při vyčerpání zásob svého jaderného paliva) ->výbuch supernovy ->důležité pro vesmír – vznik atomových jader těžkých prvků

 

Charakteristiky hvězd

• Hvězdná velikost= pozorovaná (značka m, jednotka magnituda –mag)
  • Začal používat Hipparchos, každé hvězdě přiřadil hvězdnou velikost (nejjasnější první velikost, nejslabší šestá velikost) – nevěděli, že každá hvězda je jinak daleko
  • Dnes přesně definována pomocí zářivé energie, která dojde k Zemi.
  • Slunce má -26,8 mag
  • Zářivý výkon (jednotka W) = množství záření, které k nám přichází, poměřujeme jeho energií
  • Zářivý výkon L (jednotka W) = energie, kterou hvězda vyzáří za sekundu
  • Slunce = 3,84 * 10 na 26 W
• Bolometrická jasnost (= hustota zářivého toku) (značka j, jednotka W/m2)
  • udává kolik zářivé energie projde za sekundu o obsahu 1 m2

 

• Paralaxa a vzálenost= úhel, který svírají přímky vedené ze dvou různých míst v prostoru k pozorovanému bodu, Čím dále je pozorovaný předmět od pozorovacích míst, tím je paralaxa menší.
  • Roční paralaxa – bereme vzdálenost Země od Slunce, malý úhel, o který se zkoumaná hvězda posouvá během roku proti jiným
  • Parsek = vzdálenost, které odpovídá paralaxa 1‘‘ (pc)
  • Světelné roky = dráha, kterou světlo urazí za rok (ly)
    • Zhruba 1 pc = 3 ly
  • Absolutní hvězdná velikost = hvězdná velikost, kterou by hvězda měla ve vzdálenosti pc od Země
  • Spektrum – nejdůležitější zdroj informací o stavu i pohybu hvězdy, pomocí Dopplerova jevu můžeme určit rychlost, jakou se hvězda od nás vzdaluje nebo k nám přibližuje
    • Spojité spektrum – černého tělesa, intenzita světla se s vlnovou délkou mění jen pomalu, tvar tohoto spektra závisí na teplotě (čím teplejší tím červená 4000K -> žlutá – bílá až namodralá přes 15 000K)
    • Spektrální čáry – světlo (fotony) vyzářené nižšími vrstvami atmosféry jde do vyšších a při tom se mění a v jeho spektru vznikají tzv. spektrální čáry = absorpční čáry(tmavé na světlém pozadí), emisní (světlé na tmavém)
    • Spektrální typ – dělení hvězd podle spektrálních čar, rozdíly ve spektrech jsou způsobeny rozdílnou teplotou atmosfér
    • Teplota – v jednotlivých vrstvách atmosféry, hvězdy je rozdílná
      • Barevná – určená v závislosti na barvě hvězdy
      • Efektivní – určená díky souvislosti se stejným zářivým výkonem stejně velkého černého tělesa
    • Určování dalších stavových veličin
      • Poloměr (pomocí nepřímých metod – na základě něčeho předpokládám něco a z toho vyleze něco…)
      • Hmotnost (velmi obtížná měření, potřebujeme v blízkosti jiné těleso pro určení -> např. můžeme určit hmotnosti složek dvojhvězdy)
      • Rotace (pomocí Dopplerova jevu určíme rychlost zářící látky, která se k nám na jedné straně přibližuje a na druhé vzdaluje, potřebujeme však znát i její poloměr a sklon osy k zornému paprsku)
      • Rychlost pohybu (určíme změnu polohy vzhledem k jiným hvězdám za určitý čas)

 

Vznik a vývoj hvězd

• HR diagram (Hertzsprungův-Russellův diagram) – pojmenován podle astronomů, kteří ho v roce 1913 poprvé nakreslili
• Vznik hvězd – v místech obrovských chladných molekulových oblaků složených z H2, He a jiných
  • Hnědí trpaslíci – je-li hmotnost MENŠÍ než 0,07 hmotnosti Slunce -> vznikne v jádru velmi hustá a téměř nestlačitelná látka – degenerovaný plyn -> zastavení dalšího smršťování, reakce se Nezažehnou a hvězda chladne a tuhne (známe několik stovek) -> až úplně vychladne, stane se z něj černý trpaslík
  • Hvězdy hlavní posloupnosti – je-li hmotnost VĚTŠÍ než 0,07 hmotnosti Slunce -> vznikne při smršťování ve středu teplota několika milionu stupňů Celsia -> jádra vodíku se spojují v jádra Helia -> zastavení smršťování a hvězda se pak už mění nesmírně pomalu
    • čím větší hvězdy, tím kratší dobu existují (rychleji spálí všechen vodík)
  • Další vývoj a konečná stádia hvězd
    • Červení obři–dokud je v okolí středu hvězdy dostatek vodíku, reakce tam dodržují vysokou teplotu a tlak -> jakmile část vodíku vyhoří, reakce se zpomalí (teplota, tlak sníží) a okolo vyhořelého jádra se vytvoří slupka, která se znovu rozhoří -> hvězda se nafoukne na 100 násobek a zčervená
      • stejný osud čeká i naše Slunce
    • při zániku hvězd – vznik těžších prvků, ztráta až 90% hmoty a vznik degenerovaného plynu = atomy natěsnány tak, že elektronové obaly úplně splývají a elektrony volně přecházejí od jednoho jádra k druhému
    • Bílí trpaslíci – je-li hmotnost hvězd MENŠÍ než 1,4 hmotností Slunce -> zůstane jen žhavá koule z degenerovaného plynu, neprobíhají zde žádné reakce -> za hodně dlouhou dobu se změní v černé trpaslíky
      • hmotnost srovnatelná se Sluncem, velikost se Zemí
    • Vznik nových jader – při výbuchu supernov, tvoření jader těžších než železo (normálně při reakci v nitru hvězd NE)
    • Neutronové hvězdy – pozůstatek nitra po výbuchu supernovy -> elektrony se spojují s protony a vznikají neutrony = neutronová látka (vydrží obrovský tlak) -> taková to koule se nazývá neutronová hvězda – větší hmotnost než Slunce, ale průměr jen několik kilometrů
    • Pulzary = rychle rotující neutronová hvězda, zdroj radiového i světelného záření, který vysílá pravidelné pulzy dlouhé několik milisekund a vzdálené od sebe asi sekundu
    • Černé díry = zhroucená hvězda s hmotností větší než 2 hmotnosti Slunce, látka padá blíž a blíž k sobě a dosahuje neomezených hustot, ani světlo nemůže uniknout (nemůžeme ho vidět, pouze dozvědět podle gravitačních účinků)
    • SHRNUTÍ: Pravděpodobně velká většina hvězd skončí jako černí trpaslíci, menší počet jako neutronové hvězdy a ještě menší počet jako černé díry.

 

Naše Galaxie

• Mléčná dráha (podle vzhledu)
• Galaktický disk – galaxie nesahá do nekonečna, galaxie tvoří ,,oblak,, , ve kterém hvězdy obíhají kolem společného těžiště, tvar plochého disku (my jsme ve vnější části)
• Spirální ramena – v galaxie kromě hvězd spoustu hvězdného prachu, který zeslabuje světlo -> radiovým vlnám nevadí -> zjistila se existence několika spirálních ramen, které skládají naši galaxii
  • Větší hustota mezihvězdné hmoty než mezi rameny -> vznik nových hvězd
• Galaktické jádro–střed galaxie s velkou hustotou hvězd a mezihvězdné látky, také se zde nachází malý intenzivní zdroj radiových vln -> pravděpodobně černá díra
• Kulové hvězdokupy – seskupení statisíců až milionů hvězd, které se gravitačně přitahují, cca 200 v naší galaxii
• Galaktické halo – hvězdokupy v kouli, která obsahuje celý galaktický disk -> této kouli se říká halo
• Mezihvězdná látka – plyn a prach – velmi řídká látka
  • někde se zhušťuje vmezihvězdná oblaka (osvětlená vidíme jako světlé mlhoviny, jiná vidíme jako tmavá místa bez hvězd) – pestré složení (H, C, N, O, OH, CN, CO, kyselina mravenčí, aminokyseliny,…)
    • chladná molekulová oblaka – pravděpodobně zde vzniká většina hvězd
  • Kosmické záření – z mezihvězdného prostoru přichází kladně nabité částice -> proletí zemským mag. polem – > atmosféra – většina zabrzdí -> některé projdou až na zemský povrch a některý i pod zem – tento proud se nazývá kosmické záření
  • Skrytá hmota –hmotnost galaxie je větší než hmotnost všeho co vidíme -> existence skryté hmoty (možná černá díra nebo dnes neznámé elementární částice – nic však není přijato)

 

Jiné galaxie

• Nerozeznatelné od oblaků plynu a prachu
• Obrovské vzdálenosti
• Cefeidy – pulzující proměnně hvězdy, závisí na zářivém výkonu, pomůcky pro určování vzdáleností – pozorováním blízkých (můžeme určit vzdálenost a tím i jejich absolutní hvězdnou velikost) -> porovnávání pomocí matematického vztahu
• Kupy (tisíce) a nadkupy (statisíce) galaxií – podobně jako hvězdy se galaxie seskupují (kdyby galaxie bylo mince, tak mezery mezi galaxiemi jsou metry)
• Skrytá hmota – stejný problém jako v Mléčné dráze, jen o mnoho větší
• Hubbleův zákon
  • Edwin Hubble – jako první určil skutečné vzdálenosti galaxií – čím jsou vzdálenější, tím rychleji se vzdalují – červený posuv (spektrální čáry jsou posunuty směrem k červené)
  • Rychlost, kterou se od nás vzdalují, je přibližně přímo úměrná jejich vzdálenosti.
  • H – Hubbleova konstanta (v = Hr)
• Kvazary – hvězda vzdalující se nevídanou rychlostí, astronomové se shodují, že platí Hubbleův zákon -> obrovské množství energie a jsou to nejvzdálenější objekty co známe -> v jádru kvazaru je obrovská černá díra

 

Kosmologie (zabývá se vznikem a vývojem vesmíru)

• Obecná teorie relativity
• Rozpínání vesmíru – vesmír se musí buď smršťovat nebo rozpínat, astronomové se shodují, Hubble dokázal
• Velký třesk –bylo období kdy všechna hmota vesmíru byla namačkána těsně u sebe a pak začlo rozpínání
  • cca před 13,8 miliardy let (podle Hubbleovi konstanty)
  • mnoho důkazů o skutečnosti této události
• Stáří vesmíru – neumíme říci, co bylo před velkým třeskem
  • považujeme stáří vesmíru 14 miliard roků
  • ostatní odhady se také přibližně shodují
• Reliktní záření – na Zemi dopadá ze všech stran radiové záření – shoduje se s teorií, že krátce po velkém třesku byla teplota tak vysoká, že se látka skládala z ionizovaných atomů a volných elektronů. Elektrony vyzařovaly a opět pohlcovaly elmag. záření o stejné teplotě jakou měly samy -> jak vesmír chladl, tak se elektrony spojily s ionty na atomy a schopnost záření se snížila
  • objev reliktního záření se považuje za spolehlivý doklad velkého třesku
• První okamžiky vesmíru
  • čím mladší byl vesmír, tím větší hustota a teplota
  • odhadujeme, jelikož nedokážeme přesné podmínky nasimulovat
• Dějiny vesmíru
  • Sekundu po VT teplota klesla na 10 na 10 K -> neutrony se volně měnily na protony -> při srážkách neutronů s protony vznikala jádra těžkého vodíku a helia – neutron stabilní, nerozpadá se = kosmologická nukleosyntéza– trvala 4 minuty
  • 370 000 roků – teplota klesla na tolik, že velká většina iontů se spojila s elektrony a vznikly atomy -> velká většina záření procházela vesmírem volně, v této době se také začaly tvořit kupy galaxií a galaxie (díky náhodnému zvýšení hustoty -> gravitační pole -> ještě větší zhušťování)
  • Většina galaxií vznikla během první miliardy roků po VT
  • Při tvorbě galaxií, tvoření prvních hvězd z vodíku a helia (jiná jádra tehdy prakticky neexistovala) -> termonukleární reakce – tvoření těžších prvků
  • Některé hvězdy vybuchly jako supernovy -> rozptýlení prvků do mezihvězdného prostoru + vytvoření dalších prvků
• Budoucnost vesmíru – zastaví se rozpínání a začne se vesmír smršťovat? Záleží na kritické hustotě, podle Newtonovy teorie i obecné teorie relativity dojde ke smršťení a obrovskému kolapsu
• Pozorování na základě kterých zjistili, že se rozpínání zrychluje (existence odpudivé síly)

 

Život ve vesmíru

• Podmínky pro život – složité molekuly, ze kterých jsou složena lidská těla jsou málo stabilní, aby se rozbily, stačí velmi malá energie – teplota vyšší než 100°C, a ne moc nízká kvůli zastavení chem. Reakcí -> velmi přísné podmínky na prostředí
• Pravděpodobnost života – není zdaleka vyloučená z čistě statistického hlediska
• Hledání mimozemských civilizací – existují vědecké programy pro vyhledání radiových signálů jiných civilizací, zatím neúspěšné
• Život ve sluneční soustavě – jediná část vesmíru, kterou můžeme posoudit na základě solidních informací
• Návštěva mimozemšťanů na Zemi – polovina lidí v takové návštěvy věří
• Věda jako hledání pravdy, Byli zde mimozemšťané?

 

Kalendář

• Den, měsíc, rok – nejsou celočíselným násobkem jedna druhé
• Tropický rok – od rovnodennosti k rovnodennosti, bez astronomických metod se přesně určit nedá = 365,2422 dne -> Caesar zavedl 3x 365 + 1x 366 -> juliánský kalendář
• Po reformách v 16.st. vznikl gregoriánský kalendář
• V počítání let od narození Krista neexistuje rok 0 -> 1. Roku našeho letopočtu předchází rok 1 př.n.l.

 

Jak lidé poznávali vesmír

• 17. st.př.n.l. – dlouhodobá pozorování dovedla babylonské astronomy k nalezení předpovídání zatmění Slunce
• 6. st.př.n.l. – Pythagoras potvrdil, že Země je koule
• 5. st.př.n.l. – Anaxagoras vysvětlil měsíční fáze a zatmění
• 3. st.př.n.l. – Aristarchos měl kvalitativně správnou představu o vesmíru, vypočítal geometricky vzdálenost Slunce, Měsíce a jejich velikosti
  • Eratosthenes vypočítal s dobrou přesností obvod Země
• 2. st.př.n.l. – Hipparchos
• 2. st.n.l. – Ptolemaios pokračoval po Hipparchovi v teorii epicyklů – první systematický popis pohybu planet
• 1543 – Mikuláš Koperník teorie Slunce středem vesmíru a Země kolem něj obíhá a rotuje (problém s tím že předpokládal pohyb po kružnici, ne po elipse)
• 1546-1601 – Tycho Brahe měl soustavu úhloměrů, kterými měřil polohy objektů na obloze, tvrdil že Slunce obíhá kolem Země
• 1547-1600 – Giordano Bruno tvrdil že je vesmír nekonečný
• 1564-1642 – Galileo Galilei jako první pozoroval oblohu dalekohledem, objevil krátery na Měsíci, fáze Venuše, sluneční skvrny, stal se zastáncem Koperníkovi heliocentrické teorie
• 1609 – Johannes Kepler – zákony pohybu planet, vynalezl dalekohled výhodnější než Galilei
• 1665 – objevy Isaaca Newtona
• 20. století – vznik kvantové mechaniky, teorie relativity
• 1924 – Edwin Hubble