Základy astronomie I
podzim 2020
vyučující: doc. RNDr. Miloslav Zejda, Ph.D.
cvičící: Mgr. Gabriel Szász, Mgr. Martin Piecka, Mgr. Caiyun Xia
https://is.muni.cz/auth/el/sci/podzim2020/F1251
znalost oblohy, fází Měsíce, jasných hvězd, kalendáře předešla
písmo o tisíce let !
Astronomie
(= astron + nomos = hvězda +
počítat,zákon) – věda o vesmíru,
jeho složkách, vzniku a vývoji
Astronomie - vznik před cca 6000 lety – nejstarší věda! - starší než literatura
PROČ? Čím astronomie přispěla lidstvu?
- astronomie = potřebná, praktická
- jediná věda v okolí člověka, která hledá zákonitosti
a popisuje periodické děje na obloze a jejich střídání
(den a noc, roční období, fáze Měsíce)
- zemědělství (Nil -heliaktický východ Síria)
- orientace, určování polohy, navigace
- měření času
- předpověď chování Slunce,
- internet (wifi), energetika …
- astrologie – víra, že děje na obloze určují lidský život
a chod dějin
- potřeba – nutnost předvídat polohy hvězd, Slunce, Měsíce
a planet na obloze
“Astrologie si nezasluhuje, aby jí člověk věnoval svou pozornost, avšak lidé žijí
v klamné představě, že k matematikovi patří” (Johannes Kepler)
"Pravda, astrologie je bláznivá holčina, avšak, milý bože, kampak by se poděla její
matka, vysoce rozumná astronomie, kdyby tuto bláznivou dcerku neměla!..., ...A příjmy
matematiků jsou ostatně tak ubohé, že by matinka určitě hladověla, kdyby dceruška nic
nevydělávala." (Johanes Kepler)
kolem 30000(?) př.n.l. – nejstarší zaznamenaná astronomická
pozorování (Orion na klu mamuta (stáří 32-38 tis. let),
kresby v jeskyni Lascaux (13-15 tis. let)…
kolem 9000 př.n.l. – vznik Göbekli Tepe (Turecko)
kolem 8000 př.n.l. – kalendář Warren Field (Skotsko)
kolem 5500 př.n.l. – první(?) použití gnómónu
3500 př.n.l. – kamenná observatoř
Makotřasy
kolem 3000 př.n.l. – první písemné materiály o astronomii (Egypt,
Čína, Mezopotámie a Střední Amerika)
2697 př.n.l. - nejstarší zachovaný záznam o zatmění Slunce (Čína)
kolem 2000 př.n.l. - první slunečně-měsíční kalendáře v Egyptě
a Mezopotámii
- svatyně Stonehenge (Anglie)
- poprvé vykreslená „souhvězdí“ starověkými astronomy
6. st. př.n.l. Pythagoras a Thales z Miletu
spekulují, že Země je koule
340 př.n.l. Aristoteles: O nebi
kolem 280 př.n.l. - Aristrachus ze Sámu předpokládá,
že Země obíhá kolem Slunce (heliocentrismus);
první odhad vzdálenosti Země-Slunce
kolem 240 př.n.l. - Eratosthenes měří obvod Země
kolem 130 př.n.l. Hipparchos objevuje precesi a sestavuje
první katalog hvězd (kolem 1000 nejjasnějších hvězd)
45 př.n.l. – zavedení juliánského kalendáře (čistě sluneční kalendář) v římské říši
(na radu řeckého astronoma Sosigena)
kolem 140 n.l. – Ptolemaios – teorie geocentrismu, Almagest
Obloha a hvězdná obloha
směr = polopřímka, spojující oči, kterými sledujeme svět kolem sebe, s daným objektem
obzor = krajina, kterou obzíráme, v našem dohledu (budovy, stromy, kopce)
obloha = množina všech směrů mířících nad obzor (vycházejí z 1 bodu, z pozorovatele);
na obloze lze pozorovat objekty:
- pozemské (mraky, letadla) – pohyb libovolným směrem
- kosmické (Slunce, Měsíc, hvězdy…) - pohyb od východního obzoru
k západnímu (neoznačovat jako zdánlivý!)
Slunce, Měsíc, planety se nepohybují přesně stejně rychle jako hvězdy.
hvězdná obloha – vzdálená kulisa, síť, k níž vztahujeme pohyby blízkých objektů
(Slunce, Měsíce, planet…)
Abychom si rozuměli
Venuše
Jupiter
letadlo
mraky
Měsíc
Obloha x hvězdná obloha
obloha = všechny směry, kterými
se díváme nad krajinu
hvězdná obloha – síť tvořená
vzdálenými hvězdami
Abychom si rozuměli
Pohyb Měsíce na obloze a hvězdné obloze
na obloze – za několik hodin od východu na západ
na hvězdné obloze – o několik stupňů vůči hvězdnému pozadí
Pohyb Měsíce na obloze a hvězdné obloze
Jak je to jasné?
pomocí veličiny hvězdná velikost m – jednotka
1 magnituda [mag]
při rozdílu hvězdných velikostí 5 mag, je jeden objekt
100krát jasnější
resp.
Abychom si rozuměli
Dvě nejčastější otázky laiků:
- jak je to jasné?
- jak je to daleko?
𝒎𝒎𝟏𝟏 − 𝒎𝒎𝟐𝟐 = −𝟐𝟐, 𝟓𝟓 log
𝑭𝑭𝟏𝟏
𝑭𝑭𝟐𝟐
𝑭𝑭𝟏𝟏
𝑭𝑭𝟐𝟐
= 𝟏𝟏𝟏𝟏−𝟎𝟎,𝟒𝟒 𝒎𝒎𝟏𝟏−𝒎𝒎𝟐𝟐
Jednotky hmotnosti, výkonu
1 kg – nová definice od 20. 5. 2019 (pomocí Planckovy konstanty)
Kilogram je jednotka hmotnosti v SI. Je definována fixací číselné hodnoty Planckovy konstanty h, aby byla rovna 6,626 070 15×10−34,
je-li vyjádřena jednotkou J s, rovnou kg m2 s−1, kde metr a sekunda jsou definovány pomocí c a ΔνCs.
Sekunda, značka „s“, je jednotka času v SI. Je definována fixací číselné hodnoty cesiové frekvence ΔνCs, tedy frekvence přechodu
mezi hladinami velmi jemného rozštěpení neporušeného základního stavu atomu cesia 133, aby byla rovna 9 192 631 770, je-li
vyjádřena jednotkou Hz, rovnou s−1.
1 GM 
N
(2015) = 1,327 124 4 x 1020 m3s-2
G(2014) = (6,674 08±0,000 31) x 10-11 m3kg-1s-2
=> 1 M (2015) = 1,988 475 x 1030 kg
Obdobně: 1 GM E
N
= 3,986 004 x 1014 m3 s-2
1 GM J
N
= 1,266 865 3 x 1017 m3 s-2
1L
N
= 3,828 x 1026 W (nominální)
Otázky zasvěcených:
- jakou to má hmotnost?
- jaký to má zářivý výkon?
Abychom si rozuměli
Délkové jednotky v astronomii
hlavní jednotka SI:
1 m – nová definice od 20.5.2019
Metr, značka „m“, je jednotka délky v SI. Je definována fixací číselné hodnoty rychlosti světla ve vakuu c, aby byla rovna
299 792 458, je-li vyjádřena jednotkou m s−1, kde sekunda je definována pomocí cesiové frekvence ΔνCs.
vedlejší jednotky: astronomická jednotka, světelný rok, parsek
a ještě (nominální) poloměr Slunce 1R
N
= 6,957 x 108 m
https://www.iau.org/static/resolutions/IAU2015_English.pdf
http://www.iau.org/publications/proceedings_rules/units/
astronomická jednotka (au, dříve také AU, a.j.) - střední vzdálenost Země od Slunce
1 au (a.j.) = 149 597 870 700 m (přesně) (GA IAU 2012)
- pamatovat přibližnou hodnotu 150 milionů km
použití – Sluneční soustava, planetární soustavy, ale také dvojhvězdy
Jak je to daleko?
Délkové jednotky v astronomii
světelný rok (ly, dříve také sv.r.) - vzdálenost, kterou světlo šířící se vakuem urazí
za 1 rok; výjimečně i světelný den, světelná hodina …
použití – hvězdný vesmír
parsek - vzdálenost, ze které je vidět úsečku o délce 1 au (postavenou kolmo
k zornému paprsku) pod úhlem 1" ≡ paralaxa objektu, vzdáleného 1 pc je 1"
použití – hvězdná a galaktická astronomie; kpc, Mpc, Gpc
π = 1/r
Paralaxa
lidský zrak – pár očí 7 – 8 cm od sebe => do 30 - 50 m - prostorový vjem
- u blízkých předmětů – pohled ze dvou různých směrů; úhel mezi těmito směry
= paralaxa
Odhad vzdálenosti
na Zemi – do cca 50 m, lze využít paralaxu (člověk s oběma očima)
- nad 50 m - paralaxa malá, prostorový vjem se ztrácí;
odhad vzdálenosti na základě zkušenosti, pomáhá atmosféra
(zamlžený obzor, známé velikosti, vzdálenosti)
- na Měsíci – není atmosféra ani věci známých
velikostí => problémy (ověřeno)
Prostý odhad nestačí
přímá měření vzdáleností – jen pro blízké objekty (triangulace, radiolokace)
pro vzdálenější objekty kvalifikovaný odhad vzdáleností – ale POZOR!
výběrový efekt – předpoklad – slabší hvězdy jsou od nás dál
utajené předpoklady - všechny hvězdy jsou stejné
- zeslabování (tzv. extinkce) světla hvězd
ve vesmíru se nelze spoléhat na odhady vzdáleností, nelze uplatnit zkušenosti
ze Země – ani ve volném prostoru, ani na vesmírných tělesech!
=> musíme vzdálenosti měřit, určovat
nepřímé zjišťování vzdáleností
kosmický „žebříček vzdáleností“
- měření postupně se zvětšujících
vzdáleností ve vesmíru;
- pro různé vzdálenosti různé
metody – jedna slouží ke
kalibraci následující
Metody měření vzdáleností
triangulační metoda - současné měření směrů ze 2 stanovišť => rozdíl směrů=
= paralaxa => paralaxa + vzdálenost stanovišť => vzdálenost
stanoviště – místa na Zemi, Země v různých časech, objekty Sluneční soust.
radiolokace - ve Sluneční soustavě; měření doby mezi vysláním a příjmem
rádiového impulsu (rychlost = c) => vzdálenost „terče“
cefeidy – zvláštní typ proměnných hvězd v Galaxii i cizích galaxiích
standardní svíčky – supernovy, zákrytové dvojhvězdy – vzdálenosti
(extra)galaktické
Hubbleův vztah
1929 Edwin Hubble - rychlost vzdalování objektů v je úměrná vzdálenosti r
Hubbleův vztah v = H·r, H = Hubbleova konstanta.
Platí pouze ve světě galaxií!
Typické velikosti a vzdálenosti objektů
Objekt Typická velikost Typická vzdálenost
kvarky 10-18 m
elementární částice 10-15 m
atom 10-10 m
molekula 10-9 m
člověk 1 m
planeta 107 - 108 m řádově au
hvězda 108 - 109 m řádově pc
galaxie 104 pc řádově 105 pc
Učební text:
http://www.physics.muni.cz/~zejda/ZA/za1_v018.pdf
Foto: P. Horálek