Variace 1 Astronomie a astrofyzika Autor: Mgr. Jaromír JUŘEK Kopírování a jakékoliv další využití výukového materiálu je povoleno pouze s uvedením odkazu na www. jarjurek.cz.
1. Astronomie Sluneční soustava Sluneční soustavu, v níž žijeme, tvoří: jedna hvězda - Slunce osm planet, z nichž jedna je Země měsíce těchto planet další tělesa (planetky, komety, meteoroidy) Planety obíhají kolem Slunce po elipsách blízkých kruhu tím rychleji, čím jsou Slunci blíž. Těmito jevy se zabývají Keplerovy zákony. Planety sluneční soustavy se dělí na: a) vnitřní Merkur Venuše Země Mars 2
Merkur je planeta nejbližší Slunci (průměrná vzdálenost je asi 58 mil. km) a je o něco větší než Měsíc. Okolo Slunce oběhne za 88 dní a kolem své osy se otočí za 58 dní a 16 hodin. Je viditelný jen krátce po západu a brzy po východu Slunce. Venuše je 2. planeta naší sluneční soustavy. Je přibližně stejně velká jako Země. Obíhá kolem Slunce po eliptické dráze v průměrné vzdálenosti 108 mil. km jednou za 225 dní a jedna otočka kolem osy (otáčí se opačným směrem, než ostatní planety!) trvá 243 dny. Pozorovat se dá brzy zrána nebo zvečera. Proto ji lidé také začali nazývat Večernice nebo Jitřenka. Třetí planeta obíhající kolem Slunce je naše Země. Obíhá ve vzdálenosti asi 150 mil. km, jeden oběh trvá 365,2425 dne. Kolem své osy se otočí za 24 hodiny. Její hmotnost je 5,983. 10 24 kg, rovníkový průměr je 12 756 km. Má jednu přirozenou družici - Měsíc. Země jako těleso má tvar geoidu. Mars obíhá kolem Slunce ve vzdálenosti 228 mil. km. Velikostně je přibližně poloviční vzhledem k naší Zemi. Doba oběhu kolem Slunce je 687 dní. Jedna otočka kolem osy trvá 24 hodiny a 37 minut. b) vnější Jupiter Saturn Uran Neptun 3
Jupiter je největší planetou naší sluneční soustavy. Objem má 1 300x větší (hmotnost jen 318x větší) než Země. Obíhá kolem Slunce ve vzdálenosti 778 mil. km a oběhne kolem něj za 11,9 roku. Jeho rotace kolem osy je však velmi rychlá, a to 9 hodin 50 minut. Je nejsnáze pozorovatelným objektem na obloze, část roku je vidět po celou noc. Kolem něj obíhá nejméně 16 přirozených družic. Saturn je označován za nejkrásnější planetu naší sluneční soustavy. Obíhá kolem Slunce ve vzdálenosti 1,4 miliardy km jednou za 29,5 roku. Jedna otočka kolem osy trvá 10,6 hodiny. Je o trochu menší než Jupiter., ale je nejvzdálenějším objektem naší sluneční soustavy, který je vidět na noční obloze prostým okem. Saturnovy prstence jsou tvořeny z velkého množství poměrně malých obíhajících částic. Saturn má také 25 družic, z nichž největší je Titan. Uran je planeta pozorovatelná pouze dalekohledem. Obíhá kolem Slunce ve vzdálenosti 2,87 miliardy km jednou za 84 let. Jedna otočka kolem osy mu trvá 17,2 hodiny. Rotační osa je téměř položená v jeho oběžné rovině, takže to vypadá, jako by se Uran po své dráze kutálel. Má nejméně 16 přirozených družic. Neptun je planeta hodně podobná Uranu. Obíhá kolem Slunce ve vzdálenosti 4,5 miliardy km velmi pomalu (jednou za 165 let). Jedna otočka kolem osy trvá asi 18,4 hodiny. Má dvě družice Nereidu a Triton, který obíhá po kruhové dráze, ale proti směru oběhu všech planet sluneční soustavy. Pozn.: Zvláštní pozici má planeta Pluto, která v dávné minulosti nepatřila do Sluneční soustavy, později ano, a řádově před několika lety byla opět ze sluneční soustavy vyjmuta. Pluto je planeta velmi vzdálená. Obíhá kolem Slunce jednou za 248 let po velmi výstředné dráze, která je skloněná k oběžné rovině ostatních planet o 17. Jeho průměrná vzdálenost od Slunce je 6 miliard kilometrů, ale v současné době je Pluto blíže ke Slunci než Neptun. Pluto má jednu přirozenou družici Charon. 4
Komety 5
Komety, přesněji řečeno kometární jádra) jsou tělesa, jejichž hmotnost se odhaduje na 10 13 kg a rozměr na několik kilometrů. Jsou to tedy z kosmického hlediska nepatrná tělesa. Jejich jádro tvoří slepenec křemičitého prachu a ledu. Kometární jádra se ve třetí etapě svého života mohou pohybovat po velmi protáhlé elipse okolo Slunce. Pro kometu typický a efektní chvost se začne vytvářet při jejím přiblížení ke Slunci. Jsou to vlastně odpařující se plyny, které vytvářejí charakteristický kometární útvar - komu. Teprve při dostatečném přiblížení ke Slunci vytryskne z komy ve směru od Slunce pověstný chvost. Nejznámější pravidelně se objevující kometa je Halleyova kometa, která byla objevena r. 1682. Objevuje se vždy po 76 letech. Meteoroidy Jsou to menší úlomky hmoty, které obíhají kolem Slunce. Pozorovat se dají v případě, že se dostanou do zemské atmosféry, kde se třením o částice vzduchu rozžhaví. Světelný jev spojený s průletem meteoroidu vrstvami atmosféry se nazývá meteor. Lidé říkají, že "padá hvězda". Nejviditelnější meteorický roj u nás se nazývá Perseidy a má maximum kolem 12. srpna. Další meteorický roj by mohl být dobře pozorovatelný obvykle v únoru, většina lidí ho ale v tu dobu spíše nevnímá. Hvězda Hvězda vzniká z mezihvězdného prachu o hustotě skoro bilionkrát menší než má vzduch na povrchu Země. Jestliže takové mračno prachu obsahuje nečistoty, může náhodně vzniknout zahuštěnina, která má tendenci růst (díky gravitaci a tlaku záření). 6
S rostoucí velikostí a gravitací vzniká uvnitř koule tlak a teplota, které mají rostoucí tendenci a mají snahu zárodek hvězdy rozptýlit. Díky nečistotám zárodek hvězdy (protohvězda) vyzařuje přebytečnou energii (ve formě infračerveného záření IR), která by jinak protohvězdu rozmetala. Tak může pokračovat další smršťování, zhušťování a současně obalování další hmotou, přičemž plynule stoupá teplota a tlak. Pokud by protohvězda nedosáhla potřebné hmotnosti, nedošlo by ani k vytvoření potřebné teploty pro zažehnutí jaderné syntézy vodíku. V takovém případě hvězda zůstává jako hnědý trpaslík. Až teplota dosáhne přes 10 milionů kelvinů, začne probíhat termonukleární reakce. To je moment, který se označuje jako zrod hvězdy. Jádra vodíku se začnou slučovat na jádra helia a při tom se uvolňuje velké množství energie, která zabraňuje gravitačnímu smrštění hvězdy a zároveň se vyzařuje do okolního prostoru ve formě nejrůznějších druhů záření. Toto je nejdelší a nejstabilnější období v životě hvězdy. Po vyčerpání vodíku zvolna ustává termonukleární reakce, hvězda chladne, červená a současně se zvětšuje. Říkáme, že se stala červeným obrem. Uvnitř hmotného a hustého jádra však probíhají další složitější termonukleární reakce, při nichž vznikají těžší prvky (C, O, N, Ne, Na, Mg, Al, Si, Fe). Po vyčerpání veškerého termonukleárního paliva záření hvězdy prudce poklesne, převáží gravitace a hvězda se velmi rychle smrští. Jestliže v tuto chvíli má hvězda hmotnost větší než 1,4 hmotnosti Slunce (a menší než 10 Sluncí), dojde při jejím smršťování k rázové vlně a tím k její explozi. Hvězda velmi prudce zazáří a většinu své hmoty vyvrhne zpět do vesmíru. Došlo k výbuchu supernovy. Zbytek hmoty pokračuje v gravitačním kolapsu až do vytvoření neuvěřitelně husté látky - neutronového plynu, jehož tlak brání dalšímu smršťování. Tak vznikla neutronová hvězda s téměř nulovou svítivostí, ale velmi rychle rotující (až 30x za sekundu). Vysílá radiové záření, které přístroje na Zemi zachycují ve formě pravidelných pulsů (v důsledku rotace). Proto se jí říká též pulsar. Nejbližší hvězdou k naší Sluneční soustavě je Proxima Centauri. Měsíc 7
Tím, že Slunce neustále osvětluje Zemi obíhající okolo něj, je v prostoru za zeměkoulí oblast trvalého stínu. Někdy se Měsíc při svém oběhu kolem Země dostane do tohoto zemského stínu. Potom nastává úplné zatmění Měsíce. Pokud se naopak některé místo na Zemi dostane do stínu za Měsícem, který je v tu chvíli přesně mezi Sluncem a Zemí, nastává pro pozorovatele na Zemi zatmění Slunce. Jelikož dráha Měsíce neleží ve stejné rovině jako dráha Země (je nakloněná), Měsíc se zemskému stínu většinou vyhne. Průměrně bývají asi 3 úplná zatmění Měsíce za dva roky. Vesmír Ze všech stran je naše Země obklopena vesmírem, prostorem bez hranic, naplněným hmotou nejrůznějších forem. Za hmotu se nepovažují jen hvězdy a hvězdné soustavy (galaxie), ale i atomy, ionty, mezihvězdná oblaka, kosmická záření, elektrická, elektromagnetická, magnetická a především gravitační pole. Nejvzdálenějším objektem, který lze spatřit bez dalekohledu, je galaxie v Andromedě. I naše Země se nachází ve hvězdné soustavě, kterou nazýváme Galaxie. Tvoří ji asi 200 miliard hvězd, vzdálených od sebe v průměru 6-7 světelných let. Všechny hvězdy, které vidíme na obloze, jsou z naší Galaxie. Galaxie 8
Galaxie, neboli hvězdné soustavy, jsou velkým soustředěním hmoty ve vesmíru, shluky několika miliard hvězd, plynů a prachu. Většina z nich je ve tvaru spirály, podobné vodnímu víru. Existují však i galaxie eliptické nebo nepravidelné. Kromě jednotlivých hvězd jsou v galaxiích také hvězdné skupiny, kterým se říká hvězdokupy. Jejich hvězdy jsou poměrně blízko sebe a patří k sobě i fyzikálně. Podle tvaru a stáří seskupení hvězd se rozeznávají hvězdokupy otevřené a kulové. Také my žijeme ve hvězdné soustavě. Na noční obloze pozorujeme v zimě a v létě její část jako tzv. Mléčnou dráhu. Mléčná dráha 9
Mléčnou dráhu je možné pozorovat jako světlý pás na zimní a letní noční obloze. Dalekohledem se v něm dá rozlišit velké množství hvězd. Tento pohled poskytuje naše Galaxie, při pozorování ze stanoviště v ní. Celý hvězdný systém naší Galaxie má spirálovitý tvar a podobá se uprostřed vyvýšenému disku. Slunce leží přibližně v hlavní rovině tohoto útvaru, asi ve 2/3 vzdálenosti od středu. Galaxie se otáčí. Slunce (a s ním i sluneční soustava) dokončí jeden oběh kolem středu Galaxie asi za 225 milionů let. Souhvězdí Už ode dávna se lidé snažili vnést řád do záplavy hvězd pozorovaných na obloze. Hvězdy, jejichž vzájemná poloha je téměř neměnná, sestavili do skupin souhvězdí. Jsou-li hvězdy určitého souhvězdí na obloze blízko sebe, neznamená to, že spolu doopravdy sousedí i ve vesmíru. Většinou jsou různě daleko, ale přibližně stejným směrem. Nejznámější souhvězdí jsou: Velký a Malý vůz, Lev, Orion, Kassiopeia, Labuť, Orel. Z oběžného pohybu Země vyplývá, že určitá souhvězdí lze pozorovat jen v určitou dobu (v zimě Orion a Býk; v létě Lyra a Labuť). Je samozřejmé, že hvězdná obloha pozorovaná ze severní polokoule se liší od oblohy jižní. Nejznámější souhvězdí jižní polokoule je Jižní kříž. Souhvězdí, která jsou poblíž světového severního pólu, se nazývají souhvězdí obtočnová (cirkumpolární) a tato souhvězdí jsou u nás viditelná po celý rok. Nejznámější skupinou hvězd naší hvězdné oblohy je Velký vůz (spolu s dalšími hvězdami tvoří souhvězdí Velké medvědice). Patří k němu 8 jasných hvězd, které leží na obloze nedaleko severního světového pólu, takže jsou vidět po celý rok. 10
Prodlouží-li se 5x vzdálenost mezi Merakem a Dubhe, je možné narazit na Polárku, která označuje severní světový pól a je nejjasnějším objektem v této části oblohy. Polárka je součástí dalšího známého souhvězdí - Malého vozu (Malé medvědice). Země 11
Země má tvar koule, na pólech zploštělé, a obíhá kolem Slunce po eliptické dráze jako třetí v pořadí. Době, za kterou Země oběhne kolem Slunce, se říká rok. Jeden rok trvá asi 365 a 1/4 dne. Proto je každý 4. rok (tzv. přestupný) dlouhý 366 dní. Země se otáčí také kolem své osy. Jedna otočka vzhledem ke Slunci trvá 24 hodin. Tomuto pohybu vděčíme za pravidelné střídání dne a noci. Podle geologických průzkumů je Země stará 4,5 miliardy let. Teplota v jejím nitru dosahuje až 4 000 C, průměrná teplota zemského povrchu je 15 C. Zemské jádro je složeno z těžkých kovů (pravděpodobně ze železa a niklu). Slunce 12
Někdy se mezi Slunce a Zemi dostane při svém oběhu kolem Země Měsíc a vrhá na Zemi svůj stín. Ze Země přitom pozorujeme tzv. zatmění Slunce, které ovšem mohou pozorovat pouze lidé v oblastech, přes které projde měsíční stín. Slunce je nejbližší hvězda, kterou lze pozorovat. Kolem něj obíhají planety sluneční soustavy po eliptických drahách a mezi nimi i naše Země. Průměr Slunce je asi 1 392 000 km a jeho hmotnost je asi 333 000x větší než hmotnost Země. Slunce je těleso ze žhavého plynu, v jehož nitru teplota dosahuje až 13 mil. stupňů celsia. Tato teplota (a tlak) umožňuje průběh termonukleárních reakcí, při nich vzniká velké množství energie, jejíž přebytek je vyzářen do kosmického prostoru. Povrchová teplota Slunce je asi 5 700 C. Sluneční skvrny jsou místa, která mají nižší teplotu než okolí. Skvrny je možné na Slunci pozorovat dalekohledem přes tmavý filtr. Světelný rok 13
Větší astronomickou jednotkou je parsek (pc), který se rovná 3,26 svět. roku. Menší vzdálenosti se udávají v astronomické jednotce (AU), která je rovna střední vzdálenosti Země od Slunce (149 597 870 km). 14
Obsah 1. Astronomie 2 15