27 ASTRONOMIE A ASTROFYZIKA

Poznatky o vesmíru získáváme hlavně studiem elektromagnetického záření, které dopadá na povrch Země (atmosféra propouští jen viditelné světlo, část infračerveného záření a radiové vlny). Další informace získáváme z částic kosmického záření (proud vysokoenergetických částic – hlavně protonů a jader prvků a malou hmotností).
Astronomická jednotka: vzdálenost Země od Slunce
Světelný rok: vzdálenost, kterou urazí světelný paprsek za 1 rok
Parsek:

27.1 SLUNEČNÍ SOUSTAVA
Planeta Hlavní poloosa (109 m) Doba oběhu (rok) Hmotnost (násobky MZ) Poloměr planety (km) Doba rotace kolem své osy Hustota (kgm 3)
Merkur 58 0,24 0,055 2 439 58,65 dne 5 400
Venuše 108 0,62 0,815 6 051 243,1 dne 5 200
Země 150 1,00 1,000 6 378 23,93 h 5 500
Mars 229 1,88 0,107 3 397 24,62 h 3 900
Jupiter 708 11,86 317,894 71 492 10 h 1 300
Saturn 1 431 29,46 95,184 60 268 10 h 710
Uran 2 889 84,01 14,537 25 559 16 h 1 240
Neptun 4 529 164,79 17,132 24 764 16 h 1 670
Pluto 5 978 248,43 0,002 1 180 6,378 dne 2 000

Planety se pohybují po elipsách málo odlišných od kružnic, Slunce leží v jejich společném ohnisku. Poruchy drah planet jsou způsobeny hlavně gravitačním působením ostatních planet.
Všechny planety rotují kolem své osy ve stejném smyslu, v jakém obíhají kolem Slunce. Venuše rotuje naopak a Uran má osu rotace v rovině oběžné dráhy.

Hvězdný den: doba, za kterou se Země otočí dokola vzhledem ke hvězdám (23 h 56 min)
Sluneční den: doba, za kterou se otočí do stejné polohy vzhledem ke Slunci (24 h)

27.1.1 Slunce
Hmotnost je a poloměr , hustota
Ve Slunci probíhají termonukleární reakce – do prostoru se uvolňuje energie. Teplota nitra je asi a teplota povrchu je – Slunce je plazma.
Vzniklo asi před 4,7 miliardy let z oblaku plynů H a He. Místo s větší hustotou přitahovalo látku a ta se vzájemnými nárazy zahřívala. Při dostatečné teplotě začaly probíhat reakce.

27.1.2 Merkur
Protože je Merkur malý a obíhá blízko u Slunce, je jeho rotace bržděna Slapovými silami (části planety, které jsou blíže ke Slunci, jsou přitahovány většími silami než ty, které jsou od Slunce dál) – doba rotace je 58,65 dne.
Teploty se pohybují od 430°C ve dne až do –170°C v noci.
Protože má Merkur slabou přitažlivost, nemá atmosféru a povrch je pokryt krátery.

27.1.3 Venuše
Po Slunci a Měsíci je nejjasnější planetou. Protože je to vnitřní planeta, vidíme její fáze (jako u Měsíce). Doba rotace je 243 dní opačným směrem než u ostatních planet.
Atmosféra je asi 80 km vysoká a obsahuje plyny CO2, H2O, SO2 a mraky aerosolů H2SO4, HCl, HF, HFSO3. Atmosférický tlak je asi 90x větší než na Zemi.
Teplota je 470°C ve dne i v noci, což je způsobeno skleníkovým jevem – v atmosféře Venuše je hodně CO2, H2O, SO2 (skleníkové plyny), které částečně pohlcují infračervené záření, které Venuše vyzařuje, proto Venuše více energie přijímá, než vyzařuje a teplota roste.

27.1.4 Země
Poloměr je 6 378 km, hmotnost a hustota 5 500 kgm–3.
Nitro Země zkoumáme pomocí seizmických vln (infrazvukové vlny) vznikajících při zemětřesení.
Vnější jádro je pravděpodobně kapalné a vnitřní jádro tuhé (5 000°C). Je tvořeno převážně žele-zem, které způsobuje magnetické pole Země. Zdrojem energie uvnitř Země jsou radioaktivní přeměny.

Zemská kůra je tvořena litosférou a astenosférou. Litosféra je nejsvrchnější vrstva pláště – 12 desek, které se velmi pomalu pohybují (pohyb kontinentů, nárazy vznikají pohoří, zemětřesení). Astenosféra je v hloubce více než 100 km – velký tlak a teplota – materiál se chová jako plastická látka. Zdola je zahřívána a shora ochlazována – proudění (pohyb litosféry).
Atmosféra je složena z N2 (78%), O2 (21%) a zbytek jsou CO2 (jeho podíl se stále zvyšuje) a další. Skládá se z troposféry (11 – 14 km, 90% hmotnosti, teplota s výškou klesá – proudění vzduchu – konvekce), stratosféry (15 – 60 km nad Zemí, teplota s výškou stoupá, vyskytuje se ozón – O3 – pohlcuje UV záření) a ionosféry (nad 60 km, slabě ionizovaný plyn – kosmickým zářením, vodivost).

Magnetosféra je Zemské magnetické pole, zabraňuje dopadu částic slunečního větru na povrch Země.
Měsíc
Hmotnost Měsíce je 81x menší než hmotnost Země (dvojplaneta Země-Měsíc), poloměr je 1 700 km a vzdálenost od Země je 385 000 km. Doba rotace kolem osy je stejná jako doba oběhu kolem Země (27,3 dne).

Měsíc nemá atmosféru, teploty jsou od –190°C do 100°C.
Měsíc působí na Zemi slapovými silami, čímž jsou způsobeny změny výšky mořské hladiny.

27.1.5 Mars
Má rudou barvu (Fe2O3), teploty jsou v rozmezí –90°C a 0°C, má řídkou atmosféru.
Doba rotace kolem své osy je 24,6 h, průměr je přibližně stejný jako poloměr Země.

27.1.6 Obří planety
Jsou mnohem větší než Země, mají menší hustoty a jiné složení (71% H2, 27% He).
Nemají pevný povrch, od vnějších vrstev směrem do středu jsou tvořeny stále hustší atmosférou, u středu je kovový vodík (způsobeno obrovským tlakem).
Jupiter: atmosféra se skládá ze světlých a tmavých pásů (vznikajících konvekcí), poloměr je 71 000 km a hustota je 1 300 kgm–3.
Saturn: prstenec tvořen kameny a prachem obíhajícími v rovině rovníku, poloměr 60 000 km a hustota 710 kgm–3.
Uran: objeven až v 18. st.
Neptun: objeven v 19. st.

27.1.7 Pluto
Nejmenší a nejvzdálenější planeta soustavy – poloměr 1 180 km, hustota 2 000 kgm–3.

27.1.8 Komety, planetky, meteoroidy
Planetky jsou v pásu mezi Marsem a Jupiterem (největší je Ceres – průměr 1 000 km).
Komety mají jádro ze směsi zmrzlých plynů a prachu, v blízkosti Slunce plyny sublimují, prach se uvolňuje – vzniká ohon.
Meteoroidy o průměru do centimetrů v atmosféře shoří – meteor, o průměru do metrů neshoří celé a zbytky dopadnou na Zem – meteority.

27.2 HVĚZDY A GALAXIE
Většina hvězd tvoří dvojhvězdy (obíhají kolem společného těžiště) nebo troj i čtyřhvězdy.
Hvězdná velikost: 6 magnitud, hvězdy 1. magnitudy (velikosti) jsou asi 100x jasnější než hvězdy 6. magnitudy.
Zářivý výkon: L – celková energie, kterou hvězda vyzáří za 1 s ( – Slunce).
Zářivý tok: – záření dopadá kolmo na plochu S ve vzdálenosti r.
Zářivý výkon ( ) závisí na její povrchové teplotě (podle Stefan-Boltzmanova zákona: ) – , kde R je poloměr a T je teplota hvězdy.

27.2.1 Vzdálenosti hvězd
, kde  je roční paralaxa.
Takto můžeme určovat úhly .
Parsek:
Nejbližší hvězda je Proxima Centauri (asi 1,3 pc).

27.2.2 Spektrum hvězd
Spektrum je nejdůležitější zdroj informací o stavu a pohybu hvězdy. Spektrum hvězd je spojité.
Chladnější hvězdy (4 000 K) – načervenalé světlo, obyčejné hvězdy (5 000 – 6 000 K) – žluté.
Efektivní teplota je teplota, kterou by mělo absolutně černé těleso stejné velikosti jako hvězda a se stejným zářivým výkonem.

27.2.3 Hmotnost hvězd
, protože a , potom .
U dvojhvězd:

27.2.4 Rychlost pohybu
Rychlost rozložíme na radiální a tečnou složku. Tečnou složku vypočítáme, známe-li vzdálenost hvězdy, radiální určíme pomocí Dopplerova jevu.
Dopplerův jev
Frekvence pozorovaného vlnění závisí na rychlosti pohybu zdroje.
 … vlnová délka při zdroji v klidu
 … přírůstek vlnové délky
c … rychlost vlnění
v … rychlost pohybu zdroje

platí jen pro
Pokud se zdroj vzdaluje, je vlnová délka delší než, když je zdroj v klidu.

27.2.5 Stavové diagramy hvězd
Znázorňuje závislost zářivého výkonu hvězdy na její efektivní teplotě.
Protože , pak .

Každé hvězdě odpovídá bod ve stavovém diagramu. Většina hvězd je v hlavní posloupnosti.

27.2.6 Vývoj hvězd
Mračno mezihvězdného plynu (H, He, …) se vlastní gravitační silou smršťuje a při tom se silně zahřívá. Vznikají v něm místní zhuštění, z nichž vznikají hvězdy. Z celého oblaku vznikne hvězdokupa.

Po zahřátí na 106 K začnou v nitru probíhat jaderné reakce – proton-protonový řetězec (do reakce vstupuje H a po reakcích vzniká jádro He). Hvězda začíná zářit (čím větší hmotnost, tím větší zářivý výkon L a efektivní teplota Tef), je stabilní a na hlavní posloupnosti se v průběhu vývoje posouvá vlevo nahoru.

Čím větší hmotnost, tím je větší tlak, teplota a hustota a syntéza H a He probíhá rychleji ( – 1010 let, – 106 roků). Za tuto dobu hvězda spotřebuje asi 10% H, v centrální oblasti hvězdy vzniká heliové jádro a přeměna H probíhá jen ve vrstvách nad tímto jádrem. Zvyšuje se zde teplota i tlak a tlak vrstev ležících blíže k povrchu hvězdy nestačí tento velký tlak vyrovnat a hvězda zvyšuje svůj objem, povrchové vrstvy chladnou a hvězda se stává červeným obrem.
V nitru hvězdy, kde už neprobíhají jaderné reakce, se zvyšuje tlak, teplota a hustota, a proto začne probíhat syntéza jader He na jádra prvků s větší hmotností ( ). Po spotřebování He se hvězda začne opět smršťovat ( ).

Bílí trpaslíci – – v nitru hvězdy vznikne velmi stlačená látka – elektronové obaly atomů splývají – vzniká elektronový (degenerovaný) plyn – , . Hvězda má vysokou teplotu (září bíle), ale malý povrch. Nemá zdroj energie a chladne (červený trpaslík).
Supernova – – tlak degenerovaného plynu nezastaví smršťování hvězdy. Teplota a tlak rostou a jsou zažehnuty další reakce, při nichž vznikají těžší jádra až po Fe (tato fáze trvá řádově několik let), poté se hvězda opět smršťuje.

Je-li , pak v jejím nitru dochází k přeměnám . V centrální oblasti vzniká neutronová hvězda (hustota látky je stejná jako hustota jádra). Centrální část se prudce zmenší, vnější vrstvy se zbortí, dopadnou do centra, vznikne rázová vlna, která při odrazu vymrští značnou část materiálu hvězdy do prostoru. Při tom se uvolní značná energie a hvězda velmi intenzivně září – výbuch supernovy. Vznikají jádra těžší než Fe. Smršťování se zastaví a vzniká neutronová hvězda ( , poloměr v kilometrech).

Pulzary – pulzující zdroje radiového záření (rychle rotující neutronová hvězda).
Je-li , pak smršťování nelze zastavit a dochází ke gravitačnímu kolapsu hvězdy – poloměr se zmenšuje a zároveň roste intenzita gravitačního pole na povrchu. Po překročení určité meze je gravitační pole tak silné, že žádné těleso ani záření nemůže hvězdu opustit, okolní tělesa do ní padají – černá díra. Dozvídáme se o nich jsou-li např. složkou dvojhvězdy.
Je-li – při vzniku se smršťováním zahřívá, ale než dosáhne vysoké teploty, vznikne uvnitř pevná látka a smršťování se zastaví, hvězda chladne a tuhne – hnědý trpaslík.

27.2.7 galaxie
Je tvořena oblakem hvězd, které musejí obíhat kolem společného těžiště, aby se nezhroutily do středu. Naše galaxie obsahuje asi 100 miliard hvězd, mezihvězdnou látku a kosmické záření. Má tvar plochého disku o průměru 30 kpc, z centrálního jádra vychází spirální ramena. Vznikla asi před 15 miliardami let smrštěním obrovského mračna prachu a plynů.
Naše galaxie – , tloušťka je 2 kpc a počet hvězd 1011.
Místní skupina galaxií – asi 30 galaxií (Velké a Malé Magellanovo mračno, M31, …), průměr skupiny je asi 1,3 Mpc.
Nadkupa galaxií – propojení kup galaxií do plošného útvaru – zabírají asi 10% vesmíru (z hlediska rozměrů řádově 1 000 Mpc je vesmír homogenní).

27.3 STRUKTURA VESMÍRU
Průměrná vzdálenost 2 hvězd v galaxii jsou 2 pc, průměr galaxie je asi 30 kpc, vzájemná vzdálenost 2 galaxií je asi 700 kpc, průměr kupy galaxií asi 3 Mpc a nadkupa má průměr 20 Mpc.

Hmotnost hmoty, kterou vidíme (spočítáno ze zářivého výkonu), je asi 10 krát menší než hmoty, kterou nevidíme (spočítáno z gravitačních sil) – tzv. skrytá hmota: neutronové hvězdy, černé díry, černí trpaslíci, …

Vesmír se rozpíná, což plyne ze tří na sobě nezávislých objevů:
Edwin Powel Hubble – galaxie se od nás vzdalují rychlostí, která je přímo úměrná jejich vzdálenosti: , kde H je Hubblova konstanta (galaxie vzdálená 1 Mpc se vzdaluje rychlostí 50–100 kms–1).

Ze všech stran dopadá na Zemi záření, které odpovídá záření černého tělesa o teplotě 2,7 K – tzv. reliktní (zbytkové) záření – pozůstatek z dob, kdy byl vesmír teplejší a hustší.
Einsteinova obecná teorie relativity, která se zabývá gravitačním působením hmoty (Newtonův zákon platí pro Sluneční soustavu, ale ne pro silná gravitační pole kolem neutronových hvězd, …). Řešení těchto rovnic nalezl Alexander Fridman – látka ve vesmíru nemůže být v klidu, musí se rozpínat nebo smršťovat.

Velký třesk: protože se od sebe galaxie vzdalují, musely být mnohem blíže u sebe. Existoval tedy okamžik, kdy byla všechna hmota namačkána těsně na sobě. Před 10–20 miliardami let začalo rozpínání – Velký třesk – vznik vesmíru.

V prvním okamžiku byl vesmír plazma (vteřinu po třesku asi 1010 K). Při srážkách protonů s neutrony vznikala jádra deuteria a jejich srážkami jádra Helia. Asi za 0,5 milionu roků poklesla teplota natolik, že z iontů a elektronů vznikaly atomy. Z látky vesmíru začaly vznikat hvězdy 1. generace (pouze z H a He), v jejich nitrech vznikaly těžší prvky, které se při výbuchu supernovy dostaly do okolního prostoru, a hvězdy dalších generací vznikaly z látky, v níž jsou obsaženy i atomy těžších prvků.