Sluneční soustava a astrofyzika

Sluneční soustavu tvoří Slunce (99,866 % hmotnosti celé sluneční soustavy) a všechna tělesa v jeho gravitačním poli.– 9 planet: Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun, Pluto (mohou však existovat další) a měsíce těchto planet, planetky (asteroidy), komety, meteory, prachové a plynové částice meziplanetární látky, umělé družice a kosmické sondy a další tělesa.

(komety – /shluk menších těles, velikost několik km/ rozpad -> meteorické roje /zbytky komet, které vniknou do zemské atmosféry, zbrzdí se a rozžhaví – pozorujeme jako meteory /menší se vypaří, zbytky větších dopadnou na zemský povrch -> meteority).

Tělesa sluneční soustavy obvykle porovnáváme s parametry Země. Země má elipsovitý tvar, Země je na pólech zploštělá — GEOID, nepravidelné těleso, ani koule ani elipsoid. Myslelo se, že je placka (první tvrzení o kouli Aristoteles).

 

R_Z = 6378 km          M_Z = 5,98 × 10²⁴ kg          r_Z = 5520 kg × m^–3     (tab. 177)

 

 

fyzikální zákony, kterými se řídí sluneční soustava

– viz otázka 12 (hlavně Keplerovy zákony, mohu Newt. grav.)

Pohyby Země

Země se otáčí kolem své osy (střídání dne a noci), obíhá kolem Slunce (střídání ročního dob), s celou sluneční soustavou obíhá kolem středu Galaxie.

Doba oběhu kolem Slunce je rok. Je dlouhý necelých 365, 25 dne. Hvězdný den je doba otočení kolem osy, tropický den je doba mezi dvěma vrcholy Slunce na obloze. Tropický den je 24 hodin, hvězdný den je o čtyři minuty kratší. Rozdíl je způsoben oběhem kolem Slunce, změnou polohy Země.

Zatmění Měsíce nastane, když za úplňku vstoupí Měsíc do stínu Země. Měsíční kotouč se zakrývá a tento jev je viditelný z celé přivrácené polokoule. Když se Měsíc v novu dostane mezi Zemi a Slunce, nastane zatmění Slunce. Zatmění Slunce lze pozorovat jen z oblastí, kam dopadá měsíční stín; jestliže Měsíc nezakrývá celý sluneční kotouč, nastane částečné zatmění Slunce.

Přitažlivost Měsíce a Slunce vyvolává na přivrácené a odvrácené straně přiliv. Otáčením Země kolem osy přílivová vlna opadá a nastává odliv. Jsou-li Měsíc a Slunce na jedné přímce, dochází ke skočnému přílivu (nejvyšší jednou za 14 dní), svírají-li pravý úhel, vzniká hluchý přiliv (nejnižší, v polovině mezi dvěma skočnými přílivy). Nejvyšší příliv je v zálivu Fundy na východu Kanady, až 16 m.

– A —-o–P ,Slunce není ve středu, ale zhruba v jednom z ohnisek. Perihelium – přísluní 147 miliónů km ,Afélium – odsluní 152 miliónů

 

STAVBA SLUNEČNÍ SOUSTAVY

– 4,7 miliard let

– 99,9 % hmotnosti tvoří Slunce

– Světelný Rok – Vzsálenost, kterou světelný paprsek urazí za jeden rok (Od Slunce k Zemi cca 8 min 20 s)

– Stáří Země – 4,5 miliard let

 

SLUNCE

Slunce se nachází asi 30 000 světelných let od středu Galaxie. Obíhá rychlostí 220 km/s a jeden oběh dokončí za 230 miliónů let. Zrodilo se před 5 miliardami let a bude trvat ještě asi 7 miliard let, než spálí zásoby vodíku ve středové oblasti a stane se červeným obrem, v jehož žáru zanikne sluneční soustava. Slunce je obyčejná hvězda tvořená hlavně vodíkem a heliem, ale pro život na Zemi má zásadní důležitost, neboť bez energie dodávané slunečním zářením by Země byla jen mrtvou mrazivou planetou. Slunce je více než 100x větší než Země, Povrchová teplota je 5 700 kelvinů, ve středové oblasti je teplota asi 15 miliónů kelvinů. Pozorovat můžeme jen sluneční atmosféru, která se skládá z nejníže ležící fotosféry, nad ní je chromosféra a koróna (viz též hvězdy). V těchto vrstvách se odehrávají bouřlivé děje, souhrnně nazývané sluneční činnost, které mají nemalý vliv na náš život.

Fotosféra je nejnižší, viditelná vrstva sluneční atmosféry, vydává většinu záření. Oblaky žhavé plazmy chladnou a sestupují do nitra, kde se znovu ohřeje a stoupá opět vzhůru.

Chromosféra –  vrstvu plynného vodíku, leží nad fotosférou, za běžných okolností nevidíme. Při zatmění slunce září jako úzký červený proužek (řecky chromos je barva).

Koróna – nejvyšší vrstva, je rozsáhlá, neobyčejně řídká a teplá (2 milióny kelvinů). Pozorovatelná při zatmění Slunce nebo speciálními dalekohledy (tzv. koronografy).

Sluneční skvrny jsou tmavší, chladnější oblasti ve fotosféře o průměru mnoha tisíc km, jejich počet kolísá každý den.

Sluneční erupce je prudké zahřátí chromosféry a koróny provázené vyvržením velkého množství elektricky nabitých částic a vyzářením elektromagnetického záření. Souvisejí se slunečními skvrnami a mají velký vliv na pozemský život.

Sluneční vítr je proud elektricky nabitých částic unikajících z koróny. Zemské magnetické pole chrání povrch Země a biosféru před ničivým slunečním větrem. V okolí pólů způsobuje polární záři.

 

 

Sluneční soustava vznikala současně se Sluncem. Vlastní gravitace smršťovala prach a plyny, zahřívala je až do teplot, kdy se zapálila termonukleární reakce přeměňující vodík na helium. Ze zbylého materiálu obklopujícího Praslunce vznikla ostatní tělesa ve sluneční soustavě: planety, jejich měsíce, planetky, komety, meteoroidy různé velikosti.

Planety jsou tělesa, ve kterých se nespustila termonukleární reakce a která se tak nestala hvězdami.  Nevydávají vlastní světlo, mohou jen odrážet. Obíhají kolem nich měsíce (přirozené družice).

 Vnitřní planety:

Nejblíže Slunci je Merkur. Je proto obtížně pozorovatelný. Je to pustá a skalnatá planeta bez atmosféry. Teplota na straně přivrácené ke Slunci dosahuje 430 °C, na odvrácené -170 °C.

Venuše rotuje opačně než Slunce, má hustou atmosféru převážně z CO₂ s oblaky kapiček kyseliny sírové, která  zadržuje  množství  tepla  (skleníkový efekt), ze všech planet nejlépe odráží světlo. 470C.

Země je zatím jediná planeta ve vesmíru, o níž víme, že na ní je život. Před slunečním větrem a nebezpečným zářením ji chrání magnetosféra a atmosféra. Život existuje pouze v úzké vrstvě při povrchu zvané biosféra. Dvě třetiny povrchu pokrývá voda. Země má jediného průvodce, Měsíc. Měsíc má se Zemí synchronní rotaci, je k ní natočen stále stejnou stranou. Měsíc nemá atmosféru a nejvýznačnějšími útvary na povrchu jsou světlé „pevniny“, tmavá moře (mare) a kruhové krátery po dopadech meteoritů. Teplota na povrchu za měsíčního dne dosahuje 117 °C, za noci je – 180 °C. Během jedné otočky kolem Země za 29,5 dne při pozorování ze Země projde fázemi (nov, první čtvrť, úplněk, poslední čtvrt). Občas prochází při úplňku stínem Země – nastane zatmění Měsíce. Naopak, dopadne-li v novu stín Měsíce na povrch Země, dochází k zatmění Slunce. Měsíc je první nebeské těleso, na něž vstoupili lidé.

Mars (rudá planeta – podle zabarvení) je nejvíce podobný Zemi, i když je značně menší. Má řídkou atmosféru složenou z CO₂ a dusíku a atmosférický tlak stokrát menší než na Zemi. Nemá kyslík ani ozón – v současné době na povrchu život není. Hodně scifi, je to nejlepší planeta po Zemi pro života. Kolem pólů se nacházejí polární čepičky, které během marťanského léta tají. Povrch je načervenalý (minerály železa) a najdeme na něm útvary, které byly v dávné minulosti vytvořeny tekoucí vodou. Na Marsu je nejvyšší sopka v celé sluneční soustavě, vysoká 24 km. Povrchová teplota se pohybuje od 0 do – 100 °C. Kolem Marsu obíhají dva malé měsíce, Phobos (strach) – součástí příběhu populární ságy her Doom a Deimos (hrůza).

 

Vnější planety – dále od slunce, větší, skládají se hlavně z vodíku a kamenného jádra.

Jupiter – největší a nejtěžší planeta, vyzáří téměř 3x více energie, než dostane ze Slunce. Získává ji gravitačním smršťováním a je příčinou bouřlivých dějů v atmosféře. V nitru tečou mohutné elektrické proudy, které vytvářejí mohutnou magnetosféru, chytá sluneční vítr. Atmosféra se člení do několika pásů o různě rychlé rotaci a teplotě a nejnápadnějším útvarem je Rudá skvrna – obrovská bouře, Jupiter má nejméně 16 měsíců, Ganymeda je největší měsíc ve sluneční soustavě. Jupiter má nevýrazné prstence.

Saturn Nejkrásnější planeta díky prstencům. Objevil je Galileo svým dalekohledem. Je to nespočetné množství malých částeček ledu a prachu uspořádaných do tenké vrstvy. Největší měsíc Titan má rozsáhlou atmosféru. Jeho povrch je asi pokryt tekutými uhlovodíky. Biologové se domnívají, že na Titanu jsou možné primitivní formy života.

Uran se skládá z jádra obklopeného ledem. Obíhá kolem něj 15 měsíců. Rotační osa Uranu leží téměř v oběžné rovině, takže Uran se ve své dráze „valí“. Uran tak otáčí ke Slunci střídavě severní pól a jižní pól (střídají se každých asi 42 let). Kolem Uranu se nachází též soustava prstenců.

Neptun byl vypočten z nepravidelností (čili poruch) v dráze Uranu. Neptun má podobnou stavbu jako Uran, v atmosféře je nejnápadnější Velká tmavá skvrna, systém atmosférických bouří o velikosti Země. Neptun má 8 měsíců, největší je Triton s vlastní atmosférou.

Pluto byl vyřazen z planet sluneční soustavy, protože se jedná o kus ledu.

 

Planetky neboli asteroidy jsou menší nepravidelná (kromě největších) tělesa do průměru 1000 km, většinou v pásu mezi Marsem a Jupiterem (planetkový pás). Zemskou dráhu křižuje asi 1000 malých planetek o rozměrech až několika km. Představují nebezpečí, neboť srážka se Zemí by ohrozila život. Jde pravděpodobně o zbytky původních protoplanet (zárodků planet).

Komety jsou velké koule špinavého sněhu a ledu o velikosti několika km s pevným kamenným jadérkem. V okolí sluneční soustavy se nachází tzv. Oortovo oblako komet, které jich obsahuje asi bilión. Čas od času některá kometa zamíří do sluneční soustavy, v blízkosti Slunce se z jádra začne jeho povrch odpařovat a vytváří se koma a dlouhý ohon, který působením slunečního větru míří od Slunce. Kometa každým průletem ztratí množství hmoty, takže se po čase vyčerpá a ohon nevytváří. Některé komety uniknou, ty zachyceny gravitací Slunce a planet, obíhají po protáhlých eliptických drahách. Nejznámější kometa je Halleyova kometa s oběžnou dobou 76 let.

Meteoroidní komplex tvoři mikroskopický prach až po tělesa o průměru několika desítek metrů, které obíhají kolem Slunce. Tato tělesa nazýváme meteoroidy. Dostanou-li se do zemské atmosféry, intenzívně se zahřejí a začnou zářit: pak jim říkáme meteor. Menší částice se vypaří, u velkých mohou jejich zbytky dopadnout na zem; to jsou meteority. Mohou být pozůstatky zaniklých komet.

Na planetách a jejich měsících, které mají řídkou nebo žádnou atmosféru, formovaly dopady meteoritů výrazně jejich povrch a vytvořily na něm mnoho kráterů.

 

– astronomická jednotka             – střední vzdálenost Země – Slunce (kdyby bylo slunce uprostřed)

– 1 AU = 1,496 * 1011 m             (tab. 184)

 

 HVĚZDY

 

– obrovské koule s vlastními zdroji energie (jako Slunce), protože jsou vzdálené, jeví se na obloze jako svítící body, plynná tělesa

Souhvězdí – umělé vytvoření člověkem – pomyslné spojení

– záření, které pozorujeme, vzniká v jejich fotosférách

– údaje o hvězdách získáváme z jejich záření: směr, intenzitu a spektrum

Astrometrie – určuje polohu objektu podle směru paprsku

 

Vzdálenost hvězd

– k určování vzdáleností používáme trigonometrické měření vzdáleností, jednotka parsek (pc)

 

– podstatou určování roční paralaxy Pí (úhel, pod kterým je z dané hvězdy vidět velká poloosa Země)

r = 1 / Pí                 – není v tab.

Vzdálenost je jeden pc, vidíme úsečku o délce 1 AU pod úhlem 1‘‘

 

 

 

– světelný rok (l.y.) – vzdálenost, kterou světlo urazí za 1 rok (9,46 * 10¹⁵m)  – není v tab.

1pc = 3,26 l.y.

 

– rudý posuv – posun spektrálních čar k rudé části spektra (dopplerovský efekt v důsledku vzdalování)

– hmotnost hvězd           – u Slunce určena z rovnosti gravitační a dostředivé síly  MS = 1,99 * 1030 kg

– u vzdálenějších hvězd používáme jevu dvojhvězd

– zářivý výkon L – vyjadřuje výkon záření vysílaného hvězdou do prostoru

– spektra hvězd                – většinou spojitá s absorbčními nebo emisními čarami

– slouží k určování rychlosti vzdalování, chemického složení a teploty hvězdy

– podle teploty rozdělujeme hvězdy do spektrálních tříd O,B,A,F,G,K,M

– zdroj energie – termonukleární reakce v jádře hvězdy – tzv. proton-protonový řetězec

                – u větších hvězd než je Slunce probíhá tzv. CNO řetězec

 

vznik, život a zánik hvězdy

– smršťování mezihvězdného oblaku prachu a plynu -> zahřívání -> rozpad na menší části – protohvězdy -> smršťování pokračuje -> zažehnutí termonukleárních reakcí -> po vyčerpání cca 10% paliva se hvězda mění v červeného obra -> po vyčerpání zdrojů se hvězda začne hroutit -> prudké zvýšení teploty -> výbuch supernovy -> následuje smrštění do podoby:

a) bílého trpaslíka (u menších hvězd)

b) neutronové hvězdy (průměr 10 – 50 km, obrovská hustota jako má atomové jádro)

c) černé díry (u velkých hvězd) – nevidíme, ale je dokázána jejich existence gravitačním působením a pohlcováním plynu a prachu. Jsou v jádrech galaxií (včetně té naší).

 

 

STRUKTURA VESMÍRU

 

Galaxie = soustava hvězd (naše Mléčná dráha – 100 milionů hvězd), spadá tam Slunce a planety + kosmické záření

– vlivem rotace kolem své osy má diskový tvar, v jeho středu je kulovité zhuštění= jádro

– vznikla asi před 15 miliardami lety smršťováním oblaku prachu a plynu

– rotace nejdříve pomalá (kulové hvězdokupy – nejstarší objekty v galaxii), nejmladší jsou otevřené hvězdokupy

– průměr disku: 30kpc, tloušťka 2kpc, většina hmotnosti je soustředěna ve hvězdách

 

– odhaduje se, že je ve vesmíru asi 100 miliard galaxií

– kupy galaxií – shluky tisíců galaxií, spojují se v nadkupy

tvary: spirální, eliptická, nepravidelná

 

 

 

Vesmír

– neboli kosmos = označení veškerého času, prostoru a energie, jeho zkoumáním se zabývá kosmologie a astrofyzika

– teorie, že vesmírů je více, tuto myšlenku zpracovává mnoho scifi filmů

Kosmologický princip = hmota (galaxie) je ve vesmíru rozložena homogenně, v okolí každého místa má stejné vlastnosti a jeho struktura nezávisí na směru. Stojí na obecné teorii relativity Alberta Einsteina. Dominují gravitační síly

– dříve se myslelo, že je vesmír neměnný, až ve 20. století se potvrdila jeho expanze

-> Hubbleův vztah

rychlost vzdalování galaxií je přímo úměrná jejich vzdálenosti r.

v = H * r;    H… Hubbleova konstanta = 80km *s ^-1 * Mpc^-1 – není v tab!

př.: Galaxie o vzdálenosti 10 Mpc se vzdaluje rychlostí 800km/s.

-> Reliktní záření – potvrzuje rozpínavost vesmíru, jedná se o zbytkové radiové záření, které má v kosmické prostoru homogenní intenzitu. Vlnová délka tohoto zbytkového záření se zvětšovala a v současné době mu odpovídá teplota 2,7K

 

 

na počátku vesmíru – před 15. miliardami let – vesmír měl vysokou hustotu a teplotu -> – Velký třesk (výbuch, který nastal v celém vesmíru současně, o jeho podstatě nemáme podrobné informace.) -> rozpínání vesmíru (důkazem reliktní záření)

 

Současná fyzika hypoteticky popisuje vesmír od zlomků sekundy po velkém třesku.

1. sekunda – 2*10¹⁰K, dominovala plazma

vesmír se rychle rozpínal a ochlazoval, v původní látce muselo být více částic, než antičástic, z tohoto přebytku se nyní vesmír skládá. Energie záření stále klesá.