2009 Vesmír Studijní text k výukové pomůcce Helena Šimoníková D07462 9.6.2009
Obsah Vznik a stáří vesmíru... 3 Rozměry vesmíru... 3 Počet galaxií, hvězd a planet v pozorovatelném vesmíru... 3 Objekty ve vesmíru... 3 Galaxie... 4 Mlhovina... 4 Hvězda... 5 Černá díra... 5 Umělé kosmické těleso... 5 Planeta... 6 Měsíc (satelit)... 6 Shrnutí... 7 Test... 9 Zdroje... 11 2
Vesmír Vesmír či kosmos (z řeckého κόσμος, ozdoba, šperk ale později také vše uspořádané, řádné, vesmír) je označení pro veškerý (časo-)prostor a hmotu a energii v něm. V užším smyslu se vesmír také někdy užívá jako označení pro kosmický prostor, tedy část vesmíru mimo Zemi. Různými názory na svět a jeho vznik se již od pradávna zabývala filosofie a různá náboženství. V dnešní vědě se zkoumáním vesmíru jako celku zabývá hlavně kosmologie a astrofyzika. Vznik a stáří vesmíru Jedním ze zásadních kosmologických objevů učiněných v 20. století bylo pozorování expanze vesmíru. Toto pozorování do minulosti vede k závěru, že vesmír vznikl před konečně dlouhou dobou, a nedlouho po svém vzniku byl malý a horký. To je základem dnes ve vědě všeobecně uznávané teorie Velkého třesku. Rozměry vesmíru Dosud není jasné, zda má vesmír konečnou nebo nekonečnou velikost a objem. Nicméně veškerý pozorovatelný vesmír má jistě konečnou velikost. Současná vzdálenost k hranici pozorovatelného vesmíru se odhaduje na 78 miliard světelných let (7,4 10 23 km). Ve skutečnosti se jak v odborné tak v populární literatuře slovo vesmír užívá často právě pro pozorovatelný vesmír. Z hlediska vědecké metodiky je v principu nepozorovatelná část vesmíru pro vědu irelevantní. Musíme si ale uvědomit, že jelikož víme, že vesmír vznikl zhruba před 13,7 miliardami let, není možné dohlédnout dále, než právě do vzdálenosti 13,7 miliard světelných let, jelikož k nám světlo nestačilo doputovat. Počet galaxií, hvězd a planet v pozorovatelném vesmíru Počet galaxií se podle pozorování odhaduje na 10 miliard. Galaxie samy tvoří obrovské kupy a ty pak nadkupy. Musíme si uvědomit, že když pozorujeme vzdálené galaxie, díváme se ve skutečnosti do dávné minulosti. Je to dáno tím, že rychlost světla je sice obrovská, není ale nekonečná. Hubbleovým vesmírným teleskopem se díváme do doby před 13 miliardami let. Počet všech hvězd je už těžké spočítat. V každé galaxii jsou stovky až tisíce miliard hvězd. Naše galaxie, zvaná Mléčná dráha, jich má přibližně 300 miliard ±100 miliard. Objekty ve vesmíru galaxie, tvoří kupy galaxií a ty pak nadkupy, mlhovina, 3
hvězda, dvojhvězda, hvězdokupa, červený obr, kvasar, pulsar (neutronová hvězda), bílý trpaslík, supernova, černá díra, temná hmota, temná energie, umělé kosmické těleso. planeta. měsíc planety. Některá kosmická tělesa jsou do kosmického prostoru dopravována s posádkou, členové takové posádky se pak nazývají ve východní (Rusko, Česká republika, Slovensko, atd.) terminologii kosmonauty a v západní (USA) astronauty. V Číně se pak používá označení účastník kosmického letu nebo člověk plující nebem (v Americe se pak pro čínské kosmonauty používá termín tchajkonaut). Galaxie Galaxie je hvězdná soustava složená z hvězd, mlhovin, hvězdokup, mezihvězdné hmoty a tmavé hmoty. Slovo galaxie bylo odvozeno z řeckého názvu naší vlastní galaxie Mléčné dráhy Κύκλος γαλακτικός (Κyklos galaktikos). Hvězdy se téměř vždy nacházejí ve skupinách nazývaných galaxie, společně s plyny, mezihvězdným prachem a temnou hmotou. Galaxie drží pospolu působení gravitačních sil a jednotlivé komponenty obíhají kolem společného středu. Existují důkazy, že se ve středu některých nebo dokonce většiny galaxií nacházejí černé díry. Mlhovina k obrázku trojúhelníková emisní mlhovina - Trojúhelníková emisní mlhovina NGC 604 ležící ve spirálním ramenu galaxie M33, 2,7 miliónů světelných let od Země. Tato mlhovina je oblastí vzniku nových hvězd. Mlhovina je mezihvězdný oblak prachových částic a plynů. Původně bylo slovo mlhovina obecným označením pro jakýkoliv rozměrný astronomický objekt včetně galaxií mimo Mléčnou dráhu (některá užívání staršího významu stále přežívají, například galaxie Andromeda je občas označována jako mlhovina Andromeda nebo mlhovina v Andromedě). Mlhoviny lze roztřídit podle způsobu jejich osvětlení: Difúzní mlhoviny jsou osvětlené mlhoviny o Emisní mlhoviny jsou vnitřně osvětlené mraky ionizovaného plynu, o Reflexní mlhoviny jsou osvětlené odrazy světla blízkých hvězd. Příkladem je mlhovina uvnitř hvězdokupy Plejády. Temné mlhoviny nejsou osvětleny. 4
Hvězda Hvězda je kosmický objekt takové hmotnosti, že v něm vzplanula termonukleární reakce. Hvězdy mají kulovitý tvar, ve kterém je udržuje gravitace. Hvězdy představují dominantní složku svítící hmoty ve vesmíru. Gravitačně jsou vázány v galaxiích. Jedna galaxie jich čítá kolem 100 miliard. Zemi nejbližší hvězda je Slunce, vzdálená přibližně 8 světelných minut (1 astronomická jednotka). Černá díra Černá díra je objekt natolik hmotný a zároveň malý, že jeho gravitační pole je v jisté oblasti prostoročasu natolik silné, že žádný objekt včetně světla nemůže tuto oblast opustit. Černá díra byla teoreticky předpovězena v obecné teorii relativity publikované v roce 1916 Albertem Einsteinem. Dnes považujeme za obecně prokázáno, že černé díry se nachází v centrech galaxií, aktivních galaktických jádrech, kvasarech i v centrech některých kulových hvězdokup. Podle obecné relativity nemůže žádná hmota ani informace proudit z nitra černé díry k vnějšímu pozorovateli. Například není možné získat žádnou její část ani odražené světlo vyslané z vnějšího zdroje či jakoukoli informaci o hmotě, která vstoupila do černé díry. Existují však kvantověmechanické procesy, které způsobují vyzařování černých děr. Předpokládá se, že vyzařování nezávisí na tom, co do černé díry spadlo v minulosti. Za nejviditelnější efekty jsou považované ty, které pocházejí z hmoty padající do černé díry. Tato hmota se dle předpovědí soustřeďuje do rychle se otáčejících akrečních disků do té doby, než je černou dírou pohlcena. Vnitřní tření disk extrémně zahřívá a způsobuje vyzařování velkého množství rentgenového a ultrafialového záření. Další pozorovatelné efekty jsou úzké výtrysky částic, které se pohybují v ose akrečního disku relativistickými rychlostmi. Za nejviditelnější efekty jsou považované ty, které pocházejí z hmoty padající do černé díry (hmota se soustřeďuje do rychle se otáčejících akrečních disků. Vnitřní tření disky extrémně zahřívá a způsobuje tím vyzařování rentgenového a ultrafialového záření. Dále můžeme pozorovat výtrysky částic pohybujících se v ose akrečního disku. Umělé kosmické těleso Umělé kosmické těleso je objekt, vytvořený člověkem, který se pohybuje vesmírem. Z hlediska funkce je rozdělujeme obvykle na: funkční kosmická tělesa, mezi něž patří umělé družice, kosmické sondy, kosmické lodě a kosmické stanice, nefunkční kosmická tělesa, především od funkčních těles oddělené poslední stupně nosných raket a další již 5
nepotřebné části či úlomky vzniklé rozpadem nebo explozí umělých kosmických těles, obvykle souhrnně označované jako kosmické smetí. Planeta Planeta (z řeckého πλανήτης, planétés - tulák ) nebo oběžnice ve sluneční soustavě je takové těleso, které 1. obíhá okolo Slunce, 2. má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa, a tedy dosáhne tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze (přibližně kulatého), 3. vyčistilo okolí své dráhy. Trpasličí planeta je nebeské těleso, které 1. obíhá okolo Slunce, 2. má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa, a tedy dosáhne tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze (přibližně kulatého), 3. nevyčistilo okolí své dráhy, 4. není satelitem. Tato definice se zatím nevztahuje na objekty mimo sluneční soustavu, kde pod pojmem planeta rozumíme objekty značného objemu, jejichž hmotnost je menší než 80 M J (hmotností Jupiteru), které obíhají na oběžné dráze kolem hvězdy a které neprodukují žádnou nebo velmi málo energie prostřednictvím termonukleárních reakcí. Měsíc (satelit) Měsíc, též přirozený satelit či přirozená družice (zastarale trabant nebo souputník) je vesmírné těleso přirozeného původu pohybující se po oběžné dráze kolem jiného vesmírného tělesa, kterým může být planeta, trpasličí planeta nebo planetka. V naší Sluneční soustavě bylo dosud objeveno přinejmenším 154 měsíců (stav k červnu 2005) a předpokládá se, že také kolem planet jiných hvězd obíhá mnoho dalších. Typicky velcí plynní obři mívají rozsáhlý systém měsíců. Merkur a Venuše nemají žádné měsíce, Země jeden velký měsíc, Mars dva drobné měsíce. Pluto nyní již zařazované mezi trpasličí planety má velkého souputníka zvaného Charon (takže systém Pluto Charon je občas považován za dvojplanetu) a dva malé měsíce. 6
Shrnutí Vesmír je označení pro veškerý (časo-)prostor a hmotu a energii v něm. Dnes se o něj zajímá hlavně kosmologie a astrofyzika. V současné době je všeobecně uznávána, jako vznik vesmíru, teorie Velkého třesku vesmír vznikl před konečně dlouhou dobou. Dosud není jasné, zda má vesmír konečnou nebo nekonečnou velikost a objem. Současná vzdálenost k hranici pozorovatelného vesmíru se odhaduje na 78 miliard světelných let (7,4 10 23 km). Kosmos vznikl zhruba před 13,7 miliardami let, není možné dohlédnout dále, než právě do vzdálenosti 13,7 miliard světelných let, jelikož k nám světlo nestačilo doputovat. Hubbleovým vesmírným teleskopem se díváme do doby před 13 miliardami let. Počet galaxií se podle pozorování odhaduje na 10 miliard. Galaxie samy tvoří obrovské kupy a ty pak nadkupy. Vesmír v sobě skrývá mnohá tajemství. Některá bude před lidmi skrývat ještě mnohá léta, jiná již vydal. Patří mezi ně: galaxie - tvoří kupy galaxií a ty pak nadkupy. Je hvězdná soustava složená z hvězd, mlhovin, hvězdokup, mezihvězdné hmoty a tmavé hmoty. Galaxie drží pospolu působení gravitačních sil a jednotlivé komponenty obíhají kolem společného středu. Existují důkazy, že se ve středu některých nebo dokonce většiny galaxií nacházejí černé díry. mlhovina mezihvězdný oblak prachových částic a plynů. Mlhoviny lze roztřídit podle způsobu jejich osvětlení: o Difúzní mlhoviny jsou osvětlené mlhoviny Emisní mlhoviny jsou vnitřně osvětlené mraky ionizovaného plynu, Reflexní mlhoviny jsou osvětlené odrazy světla blízkých hvězd. Příkladem je mlhovina uvnitř hvězdokupy Plejády. o Temné mlhoviny nejsou osvětleny. hvězda kosmický objekt takové hmotnosti, že v něm vzplanula termonukleární reakce. Hvězdy mají kulovitý tvar, ve kterém je udržuje gravitace. Hvězdy představují dominantní složku svítící hmoty ve vesmíru. Gravitačně jsou vázány v galaxiích. Jedna galaxie jich čítá kolem 100 miliard. Zemi nejbližší hvězda je Slunce, vzdálená přibližně 8 světelných minut (1 astronomická jednotka). černá díra objekt natolik hmotný a zároveň malý, že jeho gravitační pole je v jisté oblasti prostoročasu natolik silné, že žádný objekt včetně světla nemůže tuto oblast opustit. Existují však kvantově-mechanické procesy, které způsobují vyzařování černých děr. Předpokládá se, že vyzařování nezávisí na tom, co do černé díry spadlo v minulosti. Černá díra byla teoreticky předpovězena v obecné teorii relativity publikované v roce 1916 Albertem Einsteinem. Dnes považujeme za obecně prokázáno, že černé díry se nachází v centrech galaxií, aktivních galaktických jádrech, kvasarech i v centrech některých kulových hvězdokup. Za nejviditelnější efekty jsou považované ty, které pocházejí z hmoty padající do černé díry (hmota se soustřeďuje do rychle se otáčejících akrečních disků. Vnitřní tření disky extrémně zahřívá a způsobuje tím vyzařování rentgenového a ultrafialového záření. Dále můžeme pozorovat výtrysky částic pohybujících se v ose akrečního disku. umělé kosmické těleso objekt, vytvořený člověkem, který se pohybuje vesmírem. Z hlediska funkce je rozdělujeme obvykle na: o funkční kosmická tělesa, o nefunkční kosmická tělesa, planeta takové těleso ve sluneční soustavě, které: o obíhá okolo Slunce, 7
o o gravitace umožňuje dosáhnout tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze (přibližně kulatého), vyčistilo okolí své dráhy. Trpasličí planeta je nebeské těleso, které o o o o obíhá okolo Slunce, gravitace umožňuje dosáhnout tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze (přibližně kulatého), nevyčistilo okolí své dráhy, není satelitem (měsícem) měsíc vesmírné těleso přirozeného původu pohybující se po oběžné dráze kolem jiného vesmírného tělesa, kterým může být planeta, trpasličí planeta nebo planetka. Typicky velcí plynní obři mívají rozsáhlý systém měsíců. Merkur a Venuše nemají žádné měsíce, Země jeden velký měsíc, Mars dva drobné měsíce. 8
Test 1. Jak vznikl vesmír? a. velký třesk b. velké třesknutí c. velký výbuch (rachot) 2. Současná vzdálenost k hranici pozorovatelného vesmíru se odhaduje na: a. 7,4 x 1025 km b. 7,4 x 1022 km c. 7,4 x 1023 km 3. vesmírným teleskopem se díváme do doby před 13 miliardami let. a. Voyager b. Havlovým c. Hubbleovým 4. Odvozením řeckého Κύκλος γαλακτικός (Κyklos galaktikos) získáme název: a. Velká galaxie b. Mléčná dráha c. Kyklopova mlhovina 5. Emisní mlhoviny jsou: a. osvětlené odrazy světla blízkých hvězd b. vnitřně osvětlené mraky ionizovaného plynu c. bez osvětlení 6. Zemi nejbližší hvězda je Slunce, vzdálená 1 astronomickou jednotku. a. 9 světelných minut b. 8 světelných minut c. 3 světelné minuty 7. Výtrysky částic pohybujících se v ose akrečního disku můžeme pozorovat u: a. planety b. černé díry c. trpasličí planety 8. Pojem funkční kosmické těleso nezahrnuje: a. nosné raket b. kosmické sondy c. umělé družice 9. Je pravda, že trpasličí planeta obíhá kolem planety? a. ano b. ne 10. Měsíc nenajdeme u: a. Mars b. Merkur c. Neptun 9
Správné odpovědi: 1. a 2. c 3. c 4. b 5. b 6. b 7. b 8. a 9. b 10. b 10
Zdroje http://www.aldebaran.cz/ http://planety.astro.cz/ 11