DOSEŽKI SODOBNE DOSEŽKI SODOBNE ASTRONOMIJE IN ASTRONOMIJE IN

ASTROFIZIKEASTROFIZIKEStane ArhStane Arh

»Operacijo delno financira Evropska unija iz Evropskega socialnega sklada ter Ministrstvo za izobraževanje, znanost, kulturo in šport. Operacija se izvaja v

okviru Operativnega programa razvoja človeških virov za obdobje 2007–2013, razvojne prioritete: Razvoj človeških virov in vseživljenjskega

učenja; prednostne usmeritve: Izboljšanje usposobljenosti posameznika za delo in življenje v družbi temelječi na znanju.«

Kje smo?Kje smo? Živimo v času izjemnih astronomskih odkritij, kar

potrjujejo podeljene Nobelove nagrade. Vsak dan množica novih podatkov (1 ura -> 30 let

obdelave) SMO NA PRAGU OBLIKOVANJA NOVEGA

RAZUMEVANJA SVETA IN DOJEMANJA ŽIVLJENJA V NJEM. Čas je podoben, kot v 16 stoletju.

Odkrivamo nove planete in vprašanje časa je, kdaj se bomo soočili z izvenzemeljskim življenjem.

NAPREDEK TEHNIKENAPREDEK TEHNIKE Teleskopi z velikimi zrcali (10 m Keckov t. ,

Havaji). Aktivna optika, ki popravlja sproti napake. Teleskopi v vesolju Svetlobno občutljivi detektorji (CCD kamere) Možnost merjenja v vsem EM spektru (infrardeča

s., vidna svetloba, ultravijolična s., rentgenska s., gama sevanje, radijski valovi, mikrovalovno sevanje)

Optični kabli Računalniško spremljanje

ZgodovinaZgodovinaDo 15. stoletja je bilo nebo nespremenljivo, čisto

Sončev mrk na Kitajskem leta 2137 pr.n.š.Arhimed – matematika v naravoslovje (6. stol. pr.n.š.).

Planeti krožijo okoli Sonca. Zemlja je okrogla.Ptolomej (2. stol. pr.n.š.) geocentrični sistem.

Nikolaj Kopernik (1473 – 1543) heliocentrični sistem. Zvezde so daleč od Zemlje – paralaksa.

Johanes Kepler (1571 – 1630) – matematični zakoni - planeti se gibljejo okoli Sonca po elipsah.

ZgodovinaZgodovina• Galileo Galilej (1564 – 1642) uporabil teleskop

(1609) za opazovanje neba. Trdni dokazi, da se vse ne vrti okoli Zemlje (Jupitrove lune). Luna ima gore in kraterje. Videl mnogo novih zvezd. Sonce ima pege. Venera ima mene. Opazoval supernovo.

• Isaac Newton (1643 – 1727) je leta 1687 v svoji knjigi pojasnil z gravitacisolju vejo kroženje planetov okoli Sonca. V vljajo enaki zakoni kot na Zemlji.

ZgodovinaZgodovina• Albert Einstein (1879 – 1955). Posebna teorija

relativnosti (1906). Splošna teorija relativnosti (1915) – kozmološka konstanta.

• Edwin Hubble (1889 – 1953) Andromedina meglica je ena izmed galaksij. Vesolje se širi (1929) - Hubblov zakon. Vesolje naj bi nastalo pred 6 milijardami let z velikim pokom – Habblova konstanta.

• Arno Penzias in Robert Wilson odkrila prasevanje (2,7 K) leta 1965, kar je potrdilo teorijo prapoka.

• Stephen Hawking (1642) teorija črnih lukenj

SonceSonce• Je nam najbližja zvezda. Oddaljena je 150

milijonov km. Premer je 1,4 milijona km.• Je milijonkrat večji od Zemlje. Je 300 tisočkrat

težji od Zemlje.• Gostota svetlobnega toka na Zemlji 1,37 kW/m2

(enaka osvetlitev kot 100 W žarnica nekaj cm od lista papirja).

• Na površini Sonca 63 MW/m2 (desetina TE Šoštanj). Temperatura 5800 K.

• Starost je 5 milijard let.

Velikost SoncaVelikost Sonca

Velikost SoncaVelikost Soncahttp://www.kiroastro.com/writings/perspective

Velikost SoncaVelikost Soncahttp://www.kiroastro.com/writings/perspective

Sonce-energijaSonce-energija• Zlivanje vodikovih jeder v helijeva (4 H -> He). Iz 1

kg H dobimo 0,993 kg He in 600 bilijonov J (proizvodnja NEK v 10 dneh)

• Primankljaj mase v energijo: E = m. c2

• Majhna medsebojna razdalja med jedri in velike hitrosti (>100 km/s).

• T = 15 milijonov K, p = 3. 1014 Pa • Visok tlak in teža zunanjih plasti sta si v

ravnovesju.• Kontrolirana jedrska reakcija: z višjo temperaturo

se poveča razdalja med jedri.• Vsako sekundo „zgori“ na Soncu 600 milijonov ton

vodika.

Sonce v ultravioletni Sonce v ultravioletni svetlobisvetlobi

Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/SunGranule, prominenceSončeve pege

Prerez SoncaPrerez SoncaVir: http://en.wikipedia.org/wiki/Sun

Rojstvo zvezdRojstvo zvezd Zvezda je plinska krogla, ki jo drži skupaj lastna

težnost. Temperatura oblakov med zvezdami je med 10 – 100 K. Gravitacijsko krčenje oblaka sproži eksplozija

supernove. Rotacijska energija se med zgostitvijo ohranja Skrčen oblak zaradi hitrega vrtenja razpade na več

delov. Zvezde se rojevajo v rojih in ne posamezno. Ena tretjina zvezd je dvojnih.

Skrčen oblak (globule) ne prepušča vidne svetlobe. Oddaja pa infrardečo, ker se pri krčenju greje.

Hitrost krčenja je odvisna od mase protozvezde. Sonce je potrebovalo 30 milijonov let, da je prišlo do spajanja H.

Orionova meglicaOrionova meglica

Masa zvezdMasa zvezd• Protozvezda z desetimi masami Sonca se dovolj

skrči v 300 tisočih letih, da postane zvezda.• Zvezde imajo maso med 0,08 do nekaj deset mas

Sonca. • Povprečna masa zvezde je 0,5 mase Sonca.• Sonce je netipično in se uvršča med 10 % najbolj

masivnih zvezd.• Zvezde z večjo maso hitreje porabijo gorivo.• Protozvezde s premajhno maso ne dosežejo pri

krčenju dovolj visoke temperature in ne morejo biti zvezde (Jupiter). Plini v notranjosti imajo kovinske lastnosti (elektroni).

Življenje zvezdŽivljenje zvezd Vse zvezde v kopici so iz enake snovi: milijon H

atomov, 100000 He, 800 kisikovih atomov, 500 C, 100 N atomov.

Življenje zvezd je odvisno od njihove mase. Najbolj masivne zvezde imajo površinsko

temperaturo 40000 K, Sonce 5800 K, zvezde z najmanjšo maso pa le 2800 K.

Zvezd s 100 masami Sonca ni.

Zvezde z maso desetih Zvezde z maso desetih SoncSonc

• V jedru ima T = 25 milijonov K in sveti za 2000 Sonc. Vodika ima za 10 krat več, a ga porablja 10000 krat hitreje od Sonca.

• Ko zmanjka H v sredici, se skrči. Pri 120 milijonih K se He jedra spajajo v nestabilna berilijeva, v katero mora dovolj hitro trčiti še He jedro -> dobimo oglikovo jedro.

• V ovojnici zvezdinega jedra, kjer je še dovolj vodika, se le ta spaja v He jedra pri 15 milijonih K.

• Sprosti se več energije, kot jo zvezda izgubi z izsevom, zato se ovojnica razpne in ohladi -> rdeča orjakinja (Betelgeza)

Zvezde z maso desetih Zvezde z maso desetih SoncSonc

• Ko začne primanjkovati He, temperatura s krčenjem naraste na 600 milijonov K. Trki C jedr s He rodijo težje elemente: O, Ne, Mg

• Ko zmanjka tudi C, se jedro še bolj skrči in pepel v sredici postane novo gorivo. Vendar se veriga konča pri železu, ki je najbolj vezano jedro v naravi. Zvezda izgoreva po plasteh, kot pri čebuli (-> C -> He -> H).

• Ko so vse zaloge izčrpane, je železno jedro zelo gosto. Jedro se ne krči in se ne more segreti, je podhlajeno. Posledica je spontan razpad železovih jedr v helijeva, za kar potrebuje energijo. Jedro kolapsira. Zaradi velike gostote se združujejo elektroni in protoni v nevtrone -> eksplozija supernove. Svetloba in nevtrini odrinejo ovjnico.

Supernova iz leta 1054 v Supernova iz leta 1054 v RakuRaku

Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Supernova V sredini je pulzar, to je hitro se vrteča nevtronska Zvezda. Plini sevajo zaradivzbujenih atomov.

Ostanek supernove iz leta Ostanek supernove iz leta 1604 (Kepler)1604 (Kepler)

Zvezde z maso desetih Zvezde z maso desetih SoncSonc

• Ovojnica se širi s hitrostjo 10000 km/s. Po eni uri po eksploziji se že dovolj razredči, da svetloba uite v vesolje. Odprta sredica izseva v nekaj tednih toliko svetlobe, kot bi jo sicer v milijonih letih. Sveti, kot vse zvezde v galaksiji skupaj.

• Na razpolago je dovolj energije, da v ovojnici nastanejo težji elementi od železa: zlato, srebro, svinec, uran.

• Na leto vidimo izbruhe supernov v kakih 50 drugih galaksijah.

• Leta 1987 v Velikem Magellanovem oblaku (70 000 sv.l.)

Zlivanje jedr v zvezdahZlivanje jedr v zvezdah

  gorivo za jedrsko zlivanje

(npr. železo)

temperatura v milijonih °K 

  gostota (kg/cm³)  

trajanje fuzije

H 40 0,006   10 milijonov let  

He 190 1,1 1 milijon let

C 740 240 12.000 let

N 1600 7400 12 let

O 2100 16.000 4 leta

S/Si 3400 50.000 1 teden

železova sredica 10.000   10.000.000   -

Zvezde z maso desetih Zvezde z maso desetih Sonc ali večSonc ali več

• Sredica zvezde z maso med 8 in 20 masami Sonca konča kot nevtronska zvezda (premer je samo 10 km). Gostota snovi je enaka gostoti v atomskih jedrih.

• Sredica zvezde z maso nad 20 Sonc se gravitacijsko skrči do črne luknje.

Zvezde z maso SoncaZvezde z maso Sonca• Ko zvezda porabi H, se skrči in se začne v sredici

spajati He v C. Ker je nastaja več energije, kot jo zvezd izseva, se ovojnica napihuje in ohlaja. Imamo rdečo orjakinjo. Sonce bo naraslo do Marsove orbite.

• V jedru zvezde z maso Sonca temperatura ne doseže 600 milijonov stopinj, potrebnih za spajanje C. Ob krčenju jedra se ovojnica razmika in postane prozorna. Dobimo planetarno meglico: sredi plinskega obroča sveti gola sredica bele pritlikavke. Sredica se sčasoma ohladi in postane nevidna. V naši galaksiji poznamo okoli 1000 planetarnih meglic.

Obročasta planetarna Obročasta planetarna meglica v Lirimeglica v Liri

Vir: http://sl.wikipedia.org/wiki/Obro%C4%8Dasta_meglica

Planetarna meglica Mačje Planetarna meglica Mačje oko v Zmajuoko v Zmaju

Vir:http://sl.wikipedia.org/wiki/Planetarna_meglica

Življenje SoncaŽivljenje Soncahttp://qvcproject.blogspot.com/2011_10_01_archive.html

Hertzsprung-Russellov Hertzsprung-Russellov diagramdiagram

Vir: http://sl.wikipedia.org/wiki/Slika:H-R_diagram_-edited-3.gif

delavnicadelavnica• Opazovanje Sonca

Veliki pokVeliki pokZačetek vesolja je težko razumljiv, vendar imamo veliko opazovalnih dejstev, ki podpirajo teorijo o velikem poku:oRazmerje med zastopanostjo vodika in helija v vesoljuoMikrovalovno sevanje ozadja.oHubblov zakon.oGravitacijsko lečenje.oRazvoj galaksij.oNočno nebo je črno, ker je vesolje še mlado in naš pogled ne seže dovolj daleč. Vesolje se še širi. V starem vesolju bi nebo bilo posejano z enakomerno svetlobo, svetlo kot Sonce.

Razmerje vodika in helijaRazmerje vodika in helijaPri temperaturi 10 milijard K delci in antidelci niso bili enako zastopani. Na vsako milijardo antinevtronov je bil en nevtron presežka, kar izračunamo iz današnjega razmerja med gostoto sevanja ozadja in gostoto snovi. Tudi protonov je bilo nekoliko več. Okoli minute po poku je bilo vesolje že prehladno za rekombinacijo materije in antimaterije, vendar je milijarda K bila dovolj za eksplozivni nastanek helija.Ker je bilo protonov 5 krat več od nevtronov z računi pridemo do razmerja He : H = 1 : 12. To pa je dejansko razmerje.

Mikrovalovno sevanjeMikrovalovno sevanjeVodik postane neprozoren pri temperaturi približno 4 000 K (primer Sonce). Ko se je vesolje ohladilo na okoli 4000 K je postalo prozorno. Zaradi širjenja ima danes vesolje temperaturo le 2,74 K in valovna dolžina davnih fotonov je v območju mikrovalovnega sevanja radijskih valov. Sevanje je šibko in prihaja iz vseh strani, ker vesolje nima središča.Vesolje se je povečalo za 1500 krat, od trenutka, ko je postalo prozorno.Zaradi gibanja izvora svetlobe stran od nas se valovna dolžina daljša in frekvenca zmanjša. Dobimo premik k rdečemu delu spektra.

Mikrovalovno ozadje Mikrovalovno ozadje (COBE)(COBE)

http://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_Background_Explorer

Hubblov zakonHubblov zakonBolj ko so galaksije oddaljene, hitreje se oddaljujejo od nasOddaljenost galaksije in njena hitrost sta povezani z enačbo: v = H . RObratna vrednost Hubblove konstante nam da čas preleta svetlobe. Natančnost meritev se izboljšuje, zato tudi točnost za vrednost H: H = 71 km/s/MpcIz te vrednosti pa se izračuna starost vesolja (1/H).

Gravitacijsko lečenjeGravitacijsko lečenjehttp://sl.wikipedia.org/wiki/Gravitacijska_le%C4%8DaEinsteinov križGravitacijsko lečenje kvazarja

Gravitacijsko lečenjeGravitacijsko lečenje

Gravitacijsko lečenjeGravitacijsko lečenjeGregor Vek, Gravitacijske leče, seminar

Nastanek galaksijNastanek galaksij• Ne vemo, ali so bile prvo zvezde ali prvo

galaksije.• Galaksije so nastale iz zgoščin v prvotnem

vesolju. Kako?• Neznatna odstopanja v temperaturi, ki jih je

izmeril satelit COBE, nam bosta odgrnila pogled na velikost in rast spremembe gostote snovi, ki so pripeljale do nastanka galaksij.

Potek velikega pokaPotek velikega poka < 10-43 s - Plankov čas, ko se je dogajalo karkoli –

kvantna fluktuacija (nedoločenost časa in energije). Vesolje si je sposodilo lahko vso mirovno energijo in jo „pozabilo“ vrniti.

10- 43 s - odcepila se je gravitacijska sila 10- 43 s – 10- 35 s – kozmološka inflacija. V času 10-

38 s se je odcepila močna sila in se je sprostilo pri tem ogromno energije. Eksponentno širjenje vesolja od velikosti protona do velikosti pomaranče.

10- 35 s – 10- 32 s – inflacija je preprečila sesedanje vesolja vase (črna luknja) in ga je razgnalo navzven. Vesolje se je povečalo za 1027 krat.

Potek velikega pokaPotek velikega poka 10- 32 s – 10- 12 s - T = 1025 K. Asimetrija pri

pojavljanju materije in antimaterije – pojavi se višek kvarkov (eden na 109 ).

10- 12 s – 10- 6 s - T = 1015 K. Ločita se EM in šibka sila. Pojavijo se prvi leptoni. Premer vesolja je že 1014 m.

10- 6 s – 10- 4 s - izginili antikvarki. Kva rki se združujejo v hadrone (protoni in nevtroni)

10- 4 s – 1 s - izginili antileptoni

Potek velikega pokaPotek velikega poka 1 s – 100 s - T = 109 K. Dovolj hladno

za nastanek jedr (75 % H, 25 % He in malo Li). Vezani nevtroni ne razpadajo več. Imamo še plazmo.

3 – 20 min - vesolje se je razširilo in ohladilo, da so prenehala nastajati atomska jedra. Zato ni težjih jedr.

Do 10 000 let - obdobje sevanja. Večina energije je bila v fotonih, snov je bila v manjšini.

Po 10 000 letih - začelo se je obdobje snovi

Razvoj vesoljaRazvoj vesolja• 380 000 let - T = 3000 K. Vesolje se je

dovolj ohladilo, da so nastali prvi atomi H in He. Ker ni bilo več prostih elektronov, se je zaprto kozmološko sevanje sprostilo po vesolju. Tu je izvor prasevanja.

• Do 400 milijonov let - temačno obdobje, ker še ni bilo zvezd. Zvezde nastanejo iz oblaka medzvezdnega plina, ki se začne zaradi motnje krčiti pod vplivom lastne gravitacijske sile. Velike zvezde so hitro končevale svoj življenski cikel.

• Zvezde so združene v kopice ali galaksije. Galaksije so združene v jate ali v grupe galaksij.

Razvoj vesoljaRazvoj vesolja

Kemijski elementiKemijski elementiMasni deleži elementov v bližnjem vesolju:73 % H, 25 % He, 2 % težjih elementov

Masni deleži v našem telesu:50 % C, 20 % O, 11,5 % H, 8,5 % N, 10 % težji elementi, Naše telo je iz zvezdnega pepela.

Sestav vesoljaSestav vesoljaOpazovanja, merjenja in izračuni so dali sestav vesolja:74 % temne snovi22 % temne energije4 % običajne, nam poznane snovi

Temna snov? Svojo prisotnost izdaja le z gravitacijsko silo.

Temna energija? Povzroča, da se vesolje širi pospešeno.

AstrofizikaAstrofizika• S fizikalnimi zakoni poskuša razumeti in razložiti

naša opažanja v vesolju. • Opazujemo zvezde, meglice, galaksije.• Meritev ne moremo ponoviti.• Ne moremo eksperimentirati.• Uporabljamo matematično fizikalno modeliranje.

Hvala za pozornost !