Geochemie Geochemie studuje zastoupení a změny v zastoupení chemických prvků v jednotlivých částech Země (a v širším pohledu v celém Vesmíru - kosmochemie) Hmota a záření Při vzájemných přeměnách jsou vlastnosti záření a hmotnost vázány známým Einsteinovým vztahem AE = Am c2 kde AEje energie záření, které se uvolní při přeměně Am hmoty na záření a c je rychlost světla (2,998 x 108 m/s). Frekvence (a tím i vlnová délka) vzniklého záření je pak dána vztahem AE = hv kde h je Planckova konstata a vje frekvence záření. Čím větší množství hmoty se přemění na záření, tím vyšší je jeho frekvence, tím kratší je jeho vlnová délka a naopak. Struktura hmoty rozměr částice 10-1° m atom 10-i4m jádro 10-i5m proton, neutron < 10-18 m kvark, elektron <£ škála v rozměrech e~ 100 000 000 10 000 1 000 Elementární částice Označení, náboj a hmotnost (GeV/c2) tf(uP) ^-w c (charm) ^_^ I ř (top) 0,005 d (down) -1/3 s (strange) -1/3 175 b (bottom) -1/3 i- e- (elektron) 0,000511 v ve (e neutrino) <7x10-9 # u- (muon) 0,106 ^ vu (u neutrino) < 0,0003 t- (tau) Stabilní jsou pouze částice I. generace. Konverze jednotek: 1 GeV/c2 = 1,783 1027 kg Hmotnosti a interakce Částice Hmotnost (kg) Elektron 9,10939 x 10"31 Proton 1,67262 x 10-27 Neutron 1,67493 x 10-27 Složené částice interakce nosič působí základní částice gravitační graviton (?) všechny leptony slabá w+, w~ z° všechny elektromagnetická foton bez neutrin všechny kvarky silná gluon všechny baryon kvarky náboj hmotnost (GeV/c2) spin proton uud +1 0,938 1/2 antiproton uud -1 0,938 1/2 neutron udd 0 0,940 1/2 tři kvarky - baryony, dva kvarky - mesony Vznik Vesmíru Pozorování Vesmíru - pohled do minulosti (konečná rychlost světla 300 000 km/s). Vzdálenost Slunce-Země urazí světlo za 8 minut. Nejbližší hvězda Alpha Centauri vzdálena 4,3 svět. let, nejbližší galaxie v Andromede 2 miliony svět. let (doba vývoje Homo sapiens). Hubbleův teleskop umístěný na oběžné dráze je schopen pozorovat Vesmír do vzdálenosti několika miliard let - Hubble Deep Field. Wk . * :•■■'; . •,'■'-■ ■■ m • \ " • v *}' v ■ ■ • .. *• ^ , <■■'■" * \ '■'■ :■•... / . - • • ** * • • $s~4 - . \J*-«B * >* .'* ..■- -r . ■t .• - Hubble Deep Field HST WFPC2 ST Sel OPO January 15, 1996 R. Williams and the HDF Team (ST Scl) and NASA Struktura Vesmír má velkorozměrnou strukturu. Hvězdy vytvářejí skupiny - galaxie, které vytvářejí kupy s desítkami galaxií. Mléčná dráha s dalšími 30 galaxiemi patří do Lokální kupy - 3 velké spirální galaxie - Mléčná dráha, galaxie v Andromede a M33. Rozměr Lokální kupy - 5 mil. svět. let. Další kupy obsahují až tisíce galaxií a mají rozměry desítek milionů světelných let. Kupy se sdružují do clusterů a superclusteru o rozměrech stovek milionů světelných let. wmm Star Clusters Near the Center of the Galaxy PRC99-30 • STScl OPO * D. Figer (STScI) and NASA HST-NICMOS 1WCI Group S? Palo m ar NGC 604 in Galaxy M33 PRC96-27 ■ ST Scl OPO ■ August 7, 1996 ■ Hui Yang (U.IL) and NASA HST HST ■ WFPC2 Velkorozměrná struktura A 1/ The Local Group / / Ä IC 513 Naše galaxie Mléčná dráha spolu s dalšími asi 30 galaxiemi tvoří Lokální skupinu galaxií. I M ■ j r l^-V Skupiny a superskupiny galaxií pak vytvářejí velkoroměrnou strukturu Vesmíru. Na obrázku je počítačová simulace velkorozměrné struktury Vesmíru, v níž je hmota rozmístěna velmi nerovnoměrně jakoby na hranicích „mýdlkových bublin". Pozadí Vesmír se mění. Dvacátá léta - Edwin Hubble: všechny objekty se vzájemně vzdalují. Kosmické mikrovlnné záření v pozadí. Šedesátá léta - z celého okolního Vesmíru přichází uniformní mikrovlnné záření (2,7 K). t stav složení 0 singularita, začíná expanze 10-24 s malý ohnivý kotouč-1012 K kvarková polévka 10-M0-4s hadronová éra protony a neutrony 1s leptonová éra elektrony + neutrina 106 let éra záření ~15*109let-současnost éra hmoty COBE Původní hmota složená z atomů vodíku a helia byla distribuována nehomogenně. Vlastní gravitační síly v částech Vesmíru s vyšší hustotou atomů vedly ke gravitačnímu stažení hmoty a ke vzniku první generace hvězd. w^^^^^ ^^^^^^H 1 v * '* ^TPfr ** *^ ^^^^fc ^^ Ranný Vesmír jak jej zachytil COBE (Cosmic Backgraoud Explorer). Z nehomogenně distribuovaných atomů vodíku a helia pravděpodobně vznikla první generace hvězd gravitačním stažením. Radius of the Visible Universe 2 =9 .3 uaT Inflation Quark Soup Big Freeze Out Parting Company First Galaxies Modern Mlhoviny Orla, Laguny a Orionu. Jsou to oblasti v naší galaxii Mléčná dráha s vyšší hustotou hmoty, ve kterých dochází ke vzniku hvězd. Všechny vykazují přítomnost těžších prvků, prachu a struktur, které pravděpodobně podléhají dalšímu přerozdělení v prostoru za vzniku protohvězd. Zrození hvězd Detail sloupcovitých útvarů tvořených plynem a prachovitými částicemi s nově vzniklými hvězdami v mlhovině Orla. Nejvyšší sloupec vlevo je jeden světelný rok vysoký. Tato oblast v souhvězdí Hada je vzdálená 7 000 světelných let. Zrození hvězd 30 Doradus in the Large Magellanic Cloud Hubble Space Telescope • WFPC2 NASA, N.Wafborn (STStl), J. Maiz-Apělliniz (STScl)r and R. Barbá (La Plata Observatory, Argentina) »STScl-PRCOI-21 Smrt hvězd Henize 1357 * Stingray Nebula PRC98-15 • ST Sel OPO • April 2, 1998 M. Bobrowsky (Orbital Sciences Corp.) and NASA HST • WFPC2 Planetární nebula NGC 7027 Konečná stádia života hvězdy s průměrnou hmotností. Smrt hvězd ■i NGC 6543 HST - WFPC2 PR95-01 a - ST Sel O PO ■ January 1995 - P. Harrington (U. WD), N AS Chemické složení -jak zjistíme nepřímo ze spektrálních údajů Emisní spektrum Absorpční spektrum Intenzita záření 400 &;o 600 to: Chemické složení Základní charakteristika: »fee SrT&eBa Atomové číslo Výrazně převládají H a He -vznikly z protonů, neutronů a elektronů po Velkém tresku. S rostoucím atomovým číslem zastoupení prvků ve Vesmíru klesá - ostatní prvky vznikly až v následujících fázích vývoje Vesmíru ve hvězdách. Prvky se sudým atomovým číslem jsou ve Vesmíru hojnější, než sousedící prvky s lichým atomovým číslem - existuje cela rada vysvetlení napríklad ze vytvoření párů zvyšuje stabilitu jádra. Z uvedeného trendu se vymykají tři skupiny prvků: Li, Be, B, jejichž zastoupení je výrazně nižší -obecně je možných několik vysvětlení vysvětlení: buď jsou uvedené prvky meziproduktem při nikleosyntéze těžších prvků a po jejich vzniku jsou zase spotřebovávány nebo vznikly po spolu s H a He po Velkém tresku a v současnosti již ve Vesmíru nevznikají, neboje to způsobeno nízkou stabilitou jádra. Prvky z okolí Fe, jejichž zastoupení je výrazně vyšší - tyto prvky mají nejstabilnější jádra Prvky z okolí Pb - jsou produktem radioaktivního rozpadu těžkých prvků (například U a Th) Energie jader He ^j^ 4 8 > 0 « 6 "O d a) 4 L *C0 c -Q 0 y 1 L CO N > 2 o L 0 > H ________________1_________________1_________________1_________________1_________________1 50 100 150 200 250 Hmotové číslo Vnitřní vývoj hvězd Hvězdy vznikají při gravitačním stažení vesmírných plynů a prachových částic (v ranném Vesmíru pouze atomů vodíku a helia). Pokud je hmotnost takového objektu dostatečná, pak dojde k jeho zahřátí na teploty milionů K a nastartování termojaderné (nukleární) syntézy. Palomar NGC 604 In Galaxy M33 PFCA5-27 - ST 3d ÜPÜ - Auguít 7, 1W6 - Huí YAftQ (t e+, y, v) 2H + p -: ' 3He 3He + 3He -► 4He + 2 p CNO cyklus: «c + p-ftY)- 13N + p -► (t e+, v) i3C + p^(tY)- 14N + p -► (t Y) - 150 + p -»(t e+, v) 15N + p -► (t Y) ^ 12C + a (4He) ^H5í^Hy*W ^Scl Těžké prvky - vznik pomalý záchyt neutronů - s-proces (slow) rychlý záchyt neutronů - r-proces (rapid) - následně ß- rozpad záchyt protonů -p-proces ^ velké hvězdy malé hvězdy Hlavní posloupnost 10000000 1000000 100000 10000 1000 0,01 0,001 0,0001 0,00001 modrá žlutá superobří červena červení obři Slunce 0 . I hlavni posloupnost bílí trpaslíci Povrchová teplota (tis. K) Záhy po zformování hvězdy dojde k vytvoření rovnováhy mezi gravitačními silami, které materiál hvězdy stahují do středu a tlakem záření a uvolňovaných částic, které vznikají při nukleosyntéze a směřují ven. Hvězda se nachází ve stabilním stavu. Hmotnosti hvězdy odpovídá relativní svítivost a povrchová teplota. Hertzsprung-Russellův diagram vztahu mezi povrchovou teplotou a relativní svítivostí hvězd. 90% hvězd se nachází na hlavní posloupnosti. Většinu doby života tráví hvězdy v oblasti hlavní posloupnosti. Vy voj hvězd - přehled Hvězda Stabilní Závěr Konec Výsledek Malá • • • Bílý trpaslík Střední • # • Neutronová hvězda Obří [w] 1 • h Černá díra Jak ubývá „paliva", tak postupně klesá intenzita nukleosyntezy a tlak záření a částic slábne až nakonec nejsou schopny vyrovnávat tlak gravitačních sil. Další osud hvězdy pak závisí na její hmotnosti. Vývoj hvězd -jedna hvězda Předpokládaný časový vývoj hvězdy o hmotnosti 25 našich Sluncí. 100000000 10000000 1000000 spalování O (6 měs. Si (1 den) spalovaní Ne (1 rok) 100000 spalovaní C (600 let) 10000 1000 spalování He (500 tis. let) spalování H (7 mil. let) Teplota jádra (mil. K)