Fizika: Csillagászat

A csillagászat a legrégibb természettudomány. Az ókori kultúrnépek már széleskörű csillagászati ismeretekkel rendelkeztek annak ellenére, hogy a fizikáról jóformán fogalmuk sem volt.

A csillagászat kifejlődése két fő okra vezethető vissza. Az ókori népek az égitesteket vagy istenként tisztelték, vagy istenek jelének tekintették. Az uralkodókat pedig érdekelte a jövendő, a csaták várható kimenetele, így udvari csillagászokat foglalkoztattak a csillagos ég rejtélyeinek kifürkészésére.

A csillagászat korai fejlődésének másik, és az előbbinél lényegesebb oka a gyakorlat követelménye volt. A meginduló kereskedelem lebonyolításához tájékozódni kellett a sivatagban és a tengeren is. Mivel a helymeghatározás csillagászati alapokon nyugszik, a gyakorlati szükségszerűség magas fokú csillagászati ismereteket követelt meg. A mezőgazdasági termelés szükségessé tette a naptárkészítést, hiszen pl. a vetés csak akkor kecsegtetett a bő termés reményével, ha megfelelő időben történt. A naptárkészítés szintén csak jelentős csillagászati ismeretek birtokában volt lehetséges.

A NAPRENDSZER

A Naprendszer központi részén található csillagunk, a Nap, a körülötte keringő nyolc nagybolygó és azok holdjai, ide soroljuk a kisbolygókat is, amelyek nagyrészt (~ 1.5 millió közülük) a Mars és Jupiter közötti övezetben találhatóak, továbbá az üstökösöket, meteorokat, illetve a Naprendszert kitöltő bolygóközi anyagot.

A Naprendszerben a Nap gravitációs ereje a meghatározó, ez tartja pályán a bolygókat. A Nap gravitációs vonzása azért olyan nagy, mert a Naprendszer tömegének több mint 99%-át magában foglalja. A perdületet viszont főként (98%-ban) a körülötte keringő testek tartják fenn.

A NAP RÉSZEI:

• mag (1.5-2E7 K)
• sugárzási zóna
• konvektív zóna
• fotoszféra
• kromoszféra
• korona (kb. 5 800 K)

A Nap belsejében uralkodó hőmérsékleten olyan fúziós reakciósorozat megy végbe, melynek végeredményeképp négy darab protonból, vagyis hidrogén-atommagból egyetlen hélium-atommag keletkezik, melynek során energia szabadul fel.

A Nap felszínének zavarai (a Napból való részecskeáramlás, vagyis a napszél, illetve az ezáltali hőmérsékletkülönbségek miatt kialakuló napfoltok) a mágneses tér intenzív változásaival járnak együtt. Ezeket a Földön is észlelhető hatásokat együtt naptevékenységnek nevezzük, melynek 11 éves periodicitása figyelhető meg.

A Naprendszer sugara kb. két fényév, a bolygók (Merkúr, Vénusz, Föld, Mars, Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz) a Nap körül közel egy síkban fekvő ellipszispályákon keringenek, e pályák egyik gyújtópontja közös, itt található a Nap (Kepler I.). A mi Napunk a Tejútrendszerben (más néven Galaktikában) foglal helyet.

A Tejútrendszer méretei: a korong átmérője 100k fényév, vastagsága 5k fényév, a Napunk bolygórendszerével mintegy 26k fényévnyire az egyik spirálkarban helyezkedik el, centrum körüli keringésének kerületi sebességének nagysága 220 km/s, keringési ideje 230 millió év.

A csillagok eloszlása a világűrben nem egyenletes, csillagrendszerekbe (más néven galaxisokba) tömörülnek. A galaxisok alakjuk szerint lehetnek elliptikusak, spirálisak és szabálytalanok. Halmazokat is alkothatnak. A Tejútrendszerünk egy kb. 40 tagból álló, 3 millió fényév átmérőjű – lokális csoportnak nevezett – halmazba tartozik.

A NAPRENDSZERBELI ÉGITESTEK CSOPORTJAI:

• bolygó: olyan jelentősebb tömegű égitest, amely egy csillag vagy csillagmaradvány körül kering, nem termel nukleáris energiát, valamint elegendően nagy tömegű ahhoz, hogy kialakuljon a hidrosztatikai egyensúlyt tükröző (közel) gömb alak
• Föld típusú bolygók (kőzetbolygók): nagy sűrűségű, relatíve kisméretű, nehéz elemek által alkotott égitestek (ide tartozik a Merkúr, a Vénusz, a Föld és a Mars)
• Jupiter típusú bolygók (gázbolygók): többnyire gyűrűvel rendelkező, könnyű elemekből felépülő, kis sűrűségű és nagyméretű bolygók, amik több hőt sugároznak ki, mint amennyit elnyelnek (ide tartozik a Jupiter, a Szaturnusz, az Uránusz és a Neptunusz)
• kisbolygó (aszteroida): kicsi, szilárd anyagú égitest, mely a Nap körül kering (pl. Plútó)
• üstökösök: olyan égitestek, amelyek felszíne a Naphoz közel kerülve felmelegszik és a felszín anyaga elszublimál, miközben por és kisebb-nagyobb kavicsok szabadulhatnak ki
• csillag: olyan égitest, amely nukleáris energiát termel, így saját fénnyel rendelkezik (pl. Nap)

CSILLAGFAJTÁK:

• protocsillag: születőben lévő csillag kialakulási fázisa; a csillagok óriási por- és gázfelhőkben születnek meg, ahol gravitációs összehúzódások hatására a felhő belsejében megnő a nyomás és a hőmérséklet, ha ezek elegendően megemelkednek, beindul a magfúzió és kialakul az „első mag”
• fősorozati csillag: a Hertzsprung-Russel diagram fősorozata mentén elhelyezkedő csillagok energetikailag stabil állapotban vannak, energiatermelésüket hidrogén-hélium fúzió fedezi
• szubóriás csillag: ha a fősorozati csillagok energiakészlete kimerül, a magbeli hidrogén mennyisége a kezdetihez képest századára csökken, így a csillag energiatermelése rohamosan gyengül, megszűnik a mag sugárzási egyensúlya, ezért zsugorodni kezd; az összehúzódás miatt a hőmérséklet emelkedik, így a mag körüli héjban beindul a hidrogén fúziója, ekkor a csillag eléri a szubóriás állapotot
• vörös óriás: a csillagok egy része, miután a fűtőanyaguk kimerült, óriás csillaggá fúvódik fel, a csillag nagyobb lesz, de hidegebb és vörösebb színű
• horizontális óriás: az óriáscsillag fényessége összességében csökkenni kezd, külső héja újra összehúzódik, és a csillag elmozdul a vörös óriás állapotból a horizontális állapot felé, a nagyobb tömegű csillagok kék irányba fejlődnek, hogy később sárga, vagy kék óriássá váljanak
• aszimptotikus óriás: fejlődési átmenet a vörös óriások és a fehér törpék között; e csillagok magjában héliumégés zajlik, melyet egy hidrogénégető héj vesz körül; a héliumégés végeztével porburkot (protoplanetáris ködöt) dobnak le magukról
• fehér törpe: a csillagászat szemszögéből „A” színképosztályú, a Nap abszolút fényerősségének tizedével, századával fénylő csillagok, melyeket gyakran planetáris köd vesz körül
• fekete törpe: amikor a fehér törpe teljes, addig felhalmozott energiáját kisugározta, már nem világít többé, ezeket a „halott” égitesteket nevezik fekete törpéknek
• preszupernóva: 1,4 naptömegnél nagyobb tömeg esetén az elektrongáz elfajulása már nem képes ellensúlyozni a gravitációs nyomást, amennyiben a csillagból a planetáris köd keletkezése után megmaradt rész tömege még mindig nagyobb ennél, az úgy nevezett Chandrasekhar-határnál, akkor fejlődése szükségképpen szupernóvarobbanáshoz vezet, az ezt követően fennmaradó csillagmaradvány azután neutroncsillaggá, kvarkcsillaggá vagy fekete lyukká válhat
• neutroncsillag: nagy mennyiségű szabad neutront tartalmazó maradványcsillag
• kvarkcsillag: szabad kvarkokból álló, feltételezett, csillag tömegű égitest, a kvarkcsillag akkor keletkezik, ha a neutroncsillag neutronjai akkora nyomásnak vannak kitéve, hogy annak nem tudnak ellenállni, a gravitációs összeomlás után a neutronok szétesnek kvarkokká
• szupernóva: A szupernóva a Napnál nagyobb tömegű csillag végső, nagy robbanása, melynek során a csillag luminozitása (néhány hónapon keresztül) egy átlagos galaxiséval vetekszik
• fekete lyuk: olyan égitest, amelynél a felszínre vonatkoztatott szökési sebesség eléri vagy meghaladja a fénysebesség értékét, azonban a fekete lyukban nincs valódi égitest: a fekete lyuknak nincs belső szerkezete, kifelé pedig csak a tömege, töltése és perdülete nyilvánul meg

A BIG BANG-ELMÉLET

1929-ben Edwin P. Hubble (1889-1953) amerikai csillagász távoli galaxisok fényének spektroszkópiai vizsgálata során megfigyelte, hogy a Földön előforduló elemeknek megfelelő színképvonalak kismértékben eltolódnak a hosszabb hullámhosszak (vagyis a vörös fény hullámhossza) felé. A jelenség a vöröseltolódás nevet kapta. ( >> Doppler-effektus)

A galaxisok egymástól való távolodása alapján feltételezhetjük, hogy valamikor a múltban kellett lennie egy ősrobbanásnak, amely a ma is megfigyelhető tágulást okozta. A kissé már lehűlt anyagelemi részecskék (kvarkok) protonokká és neutronokká egyesültek, ezekből pedig létrejöttek a hidrogén és a hélium atomjai.

A csillagászok kimutatták, hogy a világegyetem még mindig tágul, de elképzelhető, hogy a tágulás egyszer szűkülésbe fordul, és újra egyetlen ponttá zsugorodik.