1 2 3 4 5 Vznik vesmíru podle teorie Velkého třesku Vesmír tedy vznikl z prvotního bodu - singularity = časově i prostorově nekonečně zakřiveného bodu - který byl nepředstavitelně hustý a žhavý. Tento bod ale přitom neměl žádnou hmotnost ani jiné fyzikální parametry, neboť ty vznikly až za několik zlomků mikrosekundy po výbuchu ( tzv. Planckův čas ). Z prvotní energie a pramateriálu pak vznikly fotony - kvarky - elektrony - protony a neutrony a nakonec celé atomy ( vodík a helium ). To vše během první sekundy. Časoprostor se ustálil a vesmír se začal ochlazovat a prudce rozpínat až do dnešní podoby. A rozpíná se i nadále. Raný vesmír byl homogenní a izotropně vyplněný vysokou energetickou hustotou. Přibližně 10-35 sekund po Planckově času se vesmír exponenciálně zvětšil během období nazývaného kosmická inflace. S růstem vesmíru klesala jeho teplota. Díky fyzikálním nesymetriím se vytvořilo o něco více hmoty než antihmoty (antihmota je druh hmoty, který je složen z antičástic k běžným částicím, tzn. například antiprotonů a pozitronů místo protonů a elektronů a antineutronů místo neutronů). Nicméně veškerá vzniklá antihmota anihilovala (setkání částice se svou antičásticí) většinovou částí hmoty. Jak se vesmír dál zvětšoval, jeho teplota dále klesala, což vedlo k dalším procesům narušujícím symetrie, které se začaly projevovat jako známé interakce a elementární částice. Ty brzo umožnily vznik atomů vodíku a helia. Tento proces se nazývá nukleosyntéza velkého třesku. Vesmír se dále ochlazoval, hmota se přestala pohybovat relativisticky a její vlastní hmotnost začala gravitačně dominovat nad energií záření. Asi po 100 000 letech se záření oddělilo od hmoty. Vesmír se tak stal pro záření průhledný. Záření z této doby se tak zachovalo až do dneška a můžeme ho dnes pozorovat jako reliktní záření. Časem se začaly o trošku hustější oblasti v téměř homogenním vesmíru díky gravitaci ještě více zahušťovat. Vytvořily se tak oblaka plynu, galaxie, hvězdy a další objekty, které dnes můžeme pozorovat. Detaily tohoto procesu závisí na množství a typu hmoty ve vesmíru. Budoucí vývoj vesmíru? 6 7 8 9 Klasifikační diagram typů galaxií sestavil Edwin Hubble a nazývá se Hubbleovo schéma nebo ladičkový diagram. Má tvar ladičky a v angličtině se odpovídajícím způsobem nazývá („tuning fork“). „Rukojeť“ ladičky odpovídá eliptickým galaxiím (E), očíslovaným podle stupně zploštění. Obě ramena ladičky odpovídají spirálním galaxiím (S) a spirálním galaxiím s příčkou (SB), označených písmeny a, b nebo c podle velikosti spirálního disku vzhledem k centrální výduti. Postupně byla Hubbleova klasifikace upřesňována. Gerard de Vaucouleurs představil rozlišení závisející na tom, zda spirální struktura pochází z jádra ve tvaru „S“ (s), z vnitřního prstence (r) nebo nějaké kombinace (rs) nebo (sr). Také připustil přechodnou klasifikaci SAB mezi příčkovou a nepříčkovou galaxií. 10 11 Jsme blízko roviny souměrnosti disku Galaxie, takže Mléčná dráha rozděluje oblohu na dvě stejné poloviny. Galaxie je domovem naší sluneční soustavy, stejně jako více než 200 miliard dalších hvězd a jejich planet, tisíců hvězdokup a mlhovin. Naše Galaxie je součástí tzv. Místní skupiny galaxií s gravitačním centrem mezi naší Galaxií a galaxií v Andromedě. V rovníkových oblastech, odkud je vidět téměř celá obloha, ji lidé nazývají Nebeský pás, Zářící pás či Mléčný kruh, jinde dostala jméno Nebeská řeka či Stříbrná řeka. 12 Magnetické pole a částice kosmického záření galaktické koróny jsou zdrojem synchrotronového záření na rádiových vlnách. Náš sluneční systém se nachází ve vnějších oblastech Galaxie, zhruba 14 světelných let nad rovinou galaktického disku, ale 26 400 světelných let od galaktického středu. Slunce leží v jednom menším spirálním ramenu (známé jako Místní rameno nebo rameno Orion) asi ve dvou třetinách od středu. Toto rameno se nachází mezi ramenem Střelce a Persea. V místě, kde se nachází Slunce, je tloušťka diskové části Galaxie pouze 3 000 světelných let. Poměrem tloušťky a průměru se podobá hudebnímu CD. 13 14 15 16 17 Poloměr Vzhledem k velkým vzdálenostem se i největší hvězdy jeví jako prakticky bodové zdroje. Lidské oko dokáže rozlišit dva svítící body v úhlové vzdálenosti asi 1´, pozemský dalekohled o průměru objektivu 6 m může mít teoretickou rozlišovací schopnost 0,02", avšak úhlový průměr nejbližších obřích hvězd Antares a Betelguese je řádově 0,01". K měření průměru hvězd a k rozlišení jemných detailů v jejich spektrech slouží různé typy optických interferometrů. Interferometrie je obor, který se věnuje studiu nebeských těles na základě analýzy interferenčních obrazců. Jestliže dopadající elektromagnetické záření rozdělíme na dva svazky (z nichž jeden fázově posuneme), které potom znovu svedeme dohromady, dojde k interferenci. Výsledný interferenční obrazec v podobě soustavy kroužků umožňuje získat podrobnější informaci o zdroji než rozbor původního paprsku. Hmotnost Hmotnosti hvězd jsou v rozmezí 0,08 až 100 slunečních hmotností. Avšak velká většina hvězd má hmotnost v úzkém rozmezí 0,3 až 5 MS. Spodní mez je dána tím, že prahvězda o hmotnosti menší než 0,08 hmotnosti Slunce nemá dostatek gravitační síly, aby se smrštěním v nitru zahřála na teplotu minimálně 7 mil. K, která je potřebná k hoření vodíku. Taková prahvězda nedosáhne hlavní posloupnosti a stane se hnědým trpaslíkem. Horní mez je dána tím, že při vyšší hmotnosti než 100 Sluncí je teplota v nitru příliš vysoká a tlak záření, který roste (podle Stefanova zákona) se čtvrtou mocninou teploty, převládne nad gravitací. Prahvězda je rozhozena tlakem záření ještě před tím, než dosáhne hlavní posloupnosti. 18 19 Fraunhoferovy absorpční čáry vznikají při průchodu světla chladnějším a méně stlačeným plynem v atmosféře hvězdy. Atomy chladnějšího plynu pohlcují záření (jsou ionizovány) přicházející ze spodních teplejších vrstev. Děje se tak pouze na některých vlnových délkách podle toho z jakého plynu je atmosféra tvořena. Protože atomů je mnoho, projeví se to na spojitém pozadí tmavou čarou. Ta signalizuje přítomnost toho kterého prvku v atmosféře hvězdy. Jestliže dochází k rekombinaci atomů (návrat do základního stavu), dochází také k vyzáření fotonu určité vlnové délky, což se projeví jasnou emisní čárou. Emisní čáry se vyskytují na stejných místech spektra jako čáry absorpční. 20 21 Budeme uvažovat malý váleček v nitru hvězdy, který je vzdálen r od jejího středu S, má podstavu o obsahu ΔS a malou výšku Δr. Plyn, který je v něm obsažený, má hustotu ρ(r) a hmotnost ρ(r)ΔSΔr. Tento váleček je přitahován do středu hvězdy pouze koulí o poloměru r a hmotnosti M(r), protože gravitační síly vrstev vyšších než r se navzájem ruší. 22 Vodorovná osa Je nutné si uvědomit, že u HR diagramu efektivní teplota vynášená na vodorovnou osu neroste zleva doprava, ale klesá, tzn. že nejvyšší teplota je vlevo. Jestliže je místo efektivní teploty použito barevného indexu (B – V), potom začíná od záporných hodnot (modrá) na levé straně a pokračuje do pozitivních hodnot (červená) na pravé straně. Třetí možností pro vodorovnou osu je použití spektrální třídy. Svislá osa Na svislou osu je vynášen zářivý výkon hvězdy. Používá se buď poměrné číslo v porovnání s naším Sluncem nebo absolutní hvězdnou velikostí, M. Při používání absolutní hvězdné velikosti si je nutné uvědomit, že nižší nebo více záporná hodnota znamená hvězdu s vyšším zářivým výkonem. Nejjasnější hvězdy jsou proto v horní části HR diagramu, kde se na svislé ose objevuje nejzápornější hodnota absolutní hvězdné velikosti. 23 24 25 Vývojový přechod od mateřské, v tomto případě sluneční mlhoviny, k hvězdě na hlavní posloupnosti se nazývá Praslunce. Zpočátku se v Praslunci uvolňovala pouze jeho gravitační potenciální energie, a to smršťováním se. Uvolněnou energii Praslunce zčásti vyzářilo (jako infračervené a později červené záření), zčásti ji přeměnilo v teplo. Po dosažení teploty 7 mil. K se začal vodík přeměňovat na helium. Potom byly zdrojem energie jednak vlastní gravitace, jednak hoření vodíku. Se vzrůstající vnitřní teplotou podíl gravitace klesal, až se při středové teplotě 15 mil. K smršťování docela zastavilo. Praslunce se ocitlo na hlavní posloupnosti HR diagramu a stalo se dospělou hvězdou – Sluncem. Od té doby vyzařuje v důsledku své vysoké teploty, zdrojem energie jsou termonukleární reakce. 26 27 Jestliže hvězda spálí zhruba 10 % až 20 % vodíku, její jádro bude bez potřebného paliva. V tomto okamžiku se hvězda dostává do konečné fáze svého vývoje. Okolo samotného jádra se začne smršťovat vodík a jeho teplota začne stoupat. Hlavním efektem je opětovné spuštění termojaderné reakce. Tato jaderná reakce je vcelku rychlá a výsledná tlaková vlna začne působit na vnější vrstvy hvězdy. Hvězda se začne postupně „nafukovat“. Během této doby se její jádro začne vlivem gravitace smršťovat, to způsobí přenos energie směrem na povrch hvězdy, který se ještě více nafoukne a tím se ochladí. Průměr hvězdy může vzrůst až na 200 násobek, zatímco ochlazování je provázeno tím, že hvězda začne vyzařovat více v červené oblasti spektra – hvězda se postupně stává červeným obrem. 28 Pro hvězdy s hmotností menší než 4 hmotnosti Slunce platí, že vyčerpání vodíku v centru spustí rozpínání hvězdy do podoby červeného obra. Je to červená hvězda, která má vysoký zářivý výkon. 29 Jádro hvězdy, které nemá další palivo, nemá zároveň potřebnou energii v boji s gravitací. Hvězda se tedy začíná smršťovat, dokud není hustota natolik veliká, že by nutila elektrony opouštět své orbitální dráhy okolo atomárního jádra. Hvězda se stala bílým trpaslíkem a její teplota se pohybuje mezi 5 000 K a 100 000 K. Tyto objekty mohou pouze vyzařovat zbytkové vnitřní teplo a chladnou. Jestliže dostatečně vychladnou, stanou se neviditelnými. Fyzicky má bílý trpaslík stejnou velikost jako Země, ale jeho hmotnost zůstala téměř nezměněná – únik vnějších vrstev nezpůsobí přílišnou změnu hmotnosti. Z toho důvodu je hustota tohoto objektu obrovská. Pro přirovnání, sklenice hmoty z bílého trpaslíka by vážila více než 50 tun! Bílí trpaslíci jsou také objekty s velkou rotační rychlostí, protože si ponechaly rotaci počáteční hvězdy, ale jsou zároveň mnohem menší. Hvězdy do hmotnosti 8 Sluncí následují stejný vývoj jako Slunce, hmotnější hvězdy vybuchují jako supernovy, nebo se ty ještě hmotnější mohou gravitačně zhroutit v černé díry. 30 31 Kulové hvězdokupy Hvězdokupa téměř kulového tvaru, složená z velmi starých hvězd, je součástí hala naší Galaxie. Kulové hvězdokupy mohou obsahovat od sta tisíc do několika milionů hvězd, které jsou tak koncentrovány v blízkosti středu, že pozemským dalekohledem nelze jednotlivé hvězdy zcela rozeznat. Kulové hvězdokupy jsou staré nejméně deset miliard let, jak plyne z pokročilého vývojového stádia jednotlivých hvězd. Jejich mimořádné stáří i jejich rozmístění v galaktickém halu ukazuje, že se kulové hvězdokupy tvořily v době, kdy v naší Galaxii probíhalo zhušťování obrovského mračna plynů. V naší Galaxii víme asi o 140 kulových hvězdokupách. I když jsou umístěny v kulovém galaktickém halu, většina z nich není od středu Galaxie dále než Slunce. Proto pokrývají celou oblohu v prostoru, ve kterém je střed naší Galaxie, zvláště pak v souhvězdích Střelce, Hadonoše a Štíra. Kulové hvězdokupy obíhají kolem galaktického středu a periodicky procházejí rovinou Galaxie. 32 Otevřené hvězdokupy Jedná se o skupinu mladých hvězd ve spirálních ramenech naší Galaxie, která může obsahovat několik desítek až několik tisíc hvězd. Otevřené hvězdokupy jsou známy také pod starším názvem galaktické hvězdokupy. Jejich skutečný průměr je obvykle roven několika parsekům. 33 34 35 36 37 38 39 40 41 Rozpínající se plazma vynáší siločáry slunečního magnetického pole, čímž se tvoří meziplanetární magnetické pole. Chromosféra a koróna pohlcují jen nepatrné množství zářivé energie vyzařované z fotosféry. Tyto vrstvy jsou pro záření značně průhledné, proto bychom očekávali spíše pokles teploty se vzrůstající výškou. Ve skutečnosti je to ale právě naopak. Tento jev označujeme jako problém zahřívání koróny. Podle nejnovějších teorií je zahřívána rekonexí magnetických indukčních čar. 42 43 44 Magnetické pole ve skrnách Sluneční skvrny mají extrémně silná magnetická pole, skoro až 3 000krát silnější oproti magnetickému poli klidných částí Slunce, které je co do velikosti srovnatelné s magnetickým polem Země. Díky tomu ve skvrně převládají síly magnetické nad granulací. Plazma je jakoby fixováno mezi magnetickými indukčními čarami a přenos energie je mnohonásobně menší než mimo skvrnu. Teplota plynu ve skvrnách je z toho důvodu nižší, skvrny nezáří tolik jako okolí a zdají se být tmavší. Právě výskyt skvrn ve dvojicích s opačnou polaritou přivedl sluneční fyziky k hypotéze, že magnetické pole je skryto pod povrchem a jeho magnetické indukční čáry jsou k povrchu rovnoběžné. Svazek magnetických indukčních čar si můžeme představit jako potrubí či lano. Na tomto pomyslném laně či potrubí se může udělat smyčka, která vystoupí na povrch Slunce a nese s sebou plazma uzavřené mezi magnetickými indukčními čarami magnetického pole. Část materiálu odteče podél magnetických indukčních čar zpět. Magnetické pole vystupuje vysoko do atmosféry. Tam kde trubice vystupuje z povrchu, pozorujeme skvrnu, z které magnetické indukční čáry vycházejí a v místě, kde se vrací pod povrch, pozorujeme skvrnu s opačnou polaritou, tedy magnetické indukční čáry směřující do nitra Slunce. 45 Velmi silné sluneční erupce třídy M a X jsou doprovázeny různými efekty v kosmickém okolí Země. I když se klasifikace sondy GOES běžně používá k označení velikosti erupce, je to pouze jedno z mnoha měřítek. Dvě sluneční erupce patřící k velmi intenzivním byly zaznamenané systémem GOES 16. srpna 1989 a 2. dubna 2001, obě dosáhly hodnoty X20. Největší dosud zaznamenaná erupce byla pozorována 4. listopadu 2003, hodnota naměřená GOES byla X28, skutečná velikost erupce však mohla být mezi X40–X45, síla erupce byla tak silná, že saturovala detektory a ty přestaly měřit. Proč je pro nás tak důležité sledovat sluneční erupce? Sluneční erupce silně ovlivňují vesmírné počasí v blízkosti Země. Uvolňují do sluneční soustavy a tím i do geomagnetického pole Země velké množství vysokoenergetických částic, které vnímáme jako radiaci. Díky magnetickému poli nehrozí lidem na Zemi velké nebezpečí. Sluneční erupce může přispět k větší intenzitě jižní a severní polární záře, nebo přerušit rádiové vysílání. Vysoké nebezpečí však vzniká pro kosmonauty a kosmické sondy. Sluneční erupce vytváří veliké množství vysokoenergetických částic, známých jako protonové bouře. Protony mohou procházet lidským tělem a způsobit mutace. Většině protonových bouří trvá dvě až čtyři hodiny, než se dostanou až k Zemi. Sluneční erupce pozorovaná 20. ledna 2005, která uvolnila nejvyšší koncentraci protonů, jaká kdy byla naměřena, však Zemi dosáhla za pouhých 15 minut, z čehož vyplívá, že se šířila rychlostí 1/3 rychlosti světla. Sluneční erupce jsou proto hlavním problémem pro kosmické lety k Marsu či na Měsíc. Bude zapotřebí vytvořit fyzické či magnetické stínění k ochraně astronautů a vzít v úvahu čas 15 minut, pro přechod z nechráněných částí kosmického plavidla do bezpečí protiradiačního krytu. 46 Z tohoto vězení se může plazma vysvobodit, pouze tehdy, pokud dojde k rekonexi (přepojení) magnetický indukčních čar. Změna magnetického pole většinou způsobí uvolnění velkého množství energie, které vymrští filament velkou rychlostí do okolí Slunce 47 48 Dvaadvacetiletý magnetický sluneční cyklus vypadá asi takto. Na začátku cyklu se objeví skupiny párů skvrn v slunečních šířkách okolo 30 stupňů severně či jižně od rovníku. Vedoucí skvrna na severní polokouli má severní magnetickou polaritu, následná polaritu jižní. Na jižní polokouli je tomu naopak. V průběhu několika let se sluneční skvrny začnou objevovat stále častěji a oblasti jejich výskytu se více posunují k rovníku. Přibližně deset let po začátku cyklu se zmenšuje počet skvrn, objevují se jen zřídka, a to v blízkosti rovníku. Nastává sluneční minimum. V této době se začnou objevovat nové skvrny dalšího jedenáctiletého cyklu v slunečních šířkách okolo 30 stupňů, mají však opačnou polaritu než skvrny předchozího cyklu. Tedy na severní polokouli je vedoucí skvrna s jižní polaritou, následná se severní a na jižní polokouli obráceně. Skvrny se opět začínají posouvat k rovníku, četnost skvrn nejdříve roste a poté se zmenšuje. Nastává další minimum. V pásech okolo 30 stupňů sluneční šířky se objevují nové sluneční skvrny. Na severní polokouli má vedoucí skvrna polaritu severní, následná jižní, na jižní polokouli právě naopak. Tím je dovršen dvaadvacetiletý sluneční cyklus. 49 50