Kosmoloogia (astrofüüsika)

1. Kosmoloogia (astrofüüsika) Füüsika VI

2. Päike

3. Päikese tähtsaimad „mõõdud“ • Keskmine kaugus Maast – ca 150 milj. km • Kaugus Linnutee keskpunktist ca 30 000 ly • Päikese läbimõõt – 70 000 km (ca 109·DMaa) • Päikese mass - 2·1030 kg (333 333·MMaa) • Vaba langemise kiirendus (pinnal) 274 m/s2(27,4·gMaa) • Tiirlemisperiood ümber Linnutee keskpunkti ca 250 milj. aastat (1 Gy galaktika aasta) • Päikese vanus ca 4,5 … 5 mlrd. aastat (18 … 20 Gy – galaktika-aastat) • Temperatuur • Pinnal 5800K (6073C) • Südames 15 000 000K • Kiirgusvõimsus 3,9·1026 W

4. KONVEKTSIOONI-VÖÖND (soojusenergiat antakse edasi nagu keevas vedelikus) Päikese ehitus TUUM (kus toimuvad termotuuma reaktsioonid ja tekib Päikese energia) FOTOSFÄÄR (soojusenergia muutub el.magn. kiirguseks ) KROMOSFÄÄR (fotosfääri ülemine kiht, mis kiirgab energiat maailmaruumi) KROON (Väga hõre kromosfäär)

5. Erineva heledusega pind näitab, et pinnatemperatuur ei ole ühtlane Päikese pind PÄIKESELOIDE (kuum aine paiskub sisemusest maailmaruumi)

6. Päikeseloide = ioniseeritud gaas  kosmiliste elementaarosakeste sünnikoht Päikese pind

7. Päikese pind Ümbritsevast keskkonnast palju madalama temperatuuriga osad on nähtavad tumedate päikeselaikudena Fotosfäär koosneb suurtest „gaasimullidest“ - gloobulitest

8. Tähti kirjeldavad karakteristikud

9. Tähtedega seotud füüsikalised suurused (karakteristikud) • Tähed moodustavad 95% sellest, mis Universumis näha, kuid nende mass on väiksem kui 10% Universumi massist • mis moodustab ülejäänud 90+%, on hetkel veel ebaselge • Seda kui heledana me tähte taevavõlvil näeme, iseloomustatakse näiva tähesuurusega m (ülaindeksina näiteks 2m). • Mida heledam on täht, seda väiksem on tema tähesuurus. • Kui kahe tähe tähesuuruse vahe on 1m, on nendelt meie silma langeva valgusvoo erinevus kümnekordne • Päikese tähesuurus -26m,6; täiskuul -12m,7; Põhjanaelal 1m,8 • Päikese ja Põhjanaelalt meie silma jõudva valgusvoo vahe on ca 5·1010 kordne

10. Tähtede tegeliku heleduse võrdlemiseks kasutatakse absoluutset tähesuurust – so näiv tähesuurus, millisena paistaks vaadeldav täht Maast 10 pc kaugusel • Päikese absoluutne tähesuurus on 4m,8 • Vegal 0m,58 • Suurima teadaoleva absoluutse heledusega täht on ξScorpion M (ksiiSkorpioni tähtkujus), mis oma tähtkujus on näivalt tähesuuruselt 14!! • Tähtsaimaks tähte kirjeldavaks karakteristikuks on tähe spekter, mis annab uurijatele detailse ülevaate nii tähe keemilisest koostisest, massist (mis on seotud läbimõõduga) kui kirjeldab tähe nähtavat värvust (pinnatemperatuuri) • erineva spektriklassi tähti tähistatakse suurtähtedega: O, B, A, F, G, K, M • O – sinised, kõige kuumemad (pinnatemp. 25 000 … 50 000K) tähed, koosnevad peamiselt ioniseeritud vesinikust • A – sinakasvalged, pinnatemperatuuriga 7500 … 11 000K (spektris H, He ja ioniseeritud Ca) – Veega, Siirius • G – kollased 5000 … 6000K (tugevad Ca, K, Fe jpt metallid, H nõrk) – Päike • M – punased, kõige „külmemad“ (2000 … 3500K) tähed – spektris keerulisemate ühendite (TiO, CN, ZrO) molekulide jooned

11. Tähti uurides avastati, et nende spektrijooned on võrreldes Maal tekkivate samade ainete spektritega nihkunud pikemalainelisemaks – tegu on Doppleri efektist tuleneva punanihkega • Kiiratava laine lainepikkus sõltub laineallika liikumissuunast vaatleja suhtes. Kui allikas läheneb, siis tajume laineid lühemalainelisena, kui kaugeneb, siis pikemalainelisena • Punanihe näitab, et KÕIK tähed justkui eemalduksid meist • Mida kaugemal vaatlejast täht asub, seda suurem on tema punanihe • Spektrijoonte ja tähe liikumise põhjal on võimalik hinnata ka tähtede mõõtmeid (läbimõõtu) ja massi – selle põhjal võib öelda, et tähed on väga-väga erineva suurusega • suurimaid nimetatakse hiidudeks ja nende läbimõõt on tavapäraselt 10 … 100 korda suurem kui Päikesel • Väikseimaid nimetatakse kääbusteks ja nende läbimõõt on ca 10% Päikese omast • tähtede massi erinevus on mõõtmete erinevusest väiksem, jäädes vahemikku 0,1MPäike … 40MPäike

12. Hertzsprung–Russelli diagramm • Analüüsinud tähtede absoluutset heledust, spektrit, värvi ja mõõtmeid, märkasid Taani astronoom EjnarHertzsprung ja USA astronoom Henry NorrisRussell, et tähed moodustavad oma väliste parameetrite (mass, läbimõõt, heledus, värv, temperatuur) põhjal seaduspära, mida nimetatakse Hertzsprung–Russelli diagramme. HRD-ks • HRD peajadal asuvate tähed on väga stabiilsed (pikaealised), sellelt välja jäävad tähed on ebastabiilsed (lühikese elueaga)

13. Ülihiiud Peajada Hiiud Valged kääbused

14. Tähtede energiaallikad

15. Tähtede energiaallikad • Gravitatsioonilisel kokkutõmbumisel vabanev energia • suured gaasilised kehad tõmbuvad iseenda raskuse mõjul kokku, nende potentsiaalne energia väheneb – vahe kiiratakse maailmaruumi • tähelaadseid objekte, mille kiiratavast energiast suurem osa tuleneb kokkutõmbumise energiast, nimetatakse prototäheks • Tähtede peamiseks energia allikaks on nende sisemuses toimuvad termotuumareaktsioonid (ehk sünteesireaktsioonid)

16. Termotuumareaktsioonides muundub vesinik esmalt heeliumiks, mis omakorda muundub hiljem raskemateks keemilisteks elementideks. • Raskemad elemendid tekivad tähe tsentrile lähemal, kergemad elemendid tsentrist kaugemal. • Reaktsioonide käigus vabanev energia suundub tähe südamikust tähe pinna suunas, avaldades seejuures täheainele märgatavat rõhku. • HRD peajadal asuvate tähtede puhul on tähte kokku suruv gravitatsioonijõud täpselt sama suur kui termotuumareaktsioonide käigus vabaneva ja tähest välja suunduva energia rõhumisjõud

17. Keemiliste elementide teke tähes

18. Tähe „elulugu“ • Universumis leidub piirkondi (ürgtähtede jäänused), mis on täidetud külma ja hõreda gaasiga. Siiski ületab sellise gaasipilve tihedus kordades Universumi keskmist. • Gaasiosakeste soojusliikumise tõttu tekivad gaasipilves tihedamad piirkonnad, mis hakkavad tänu oma gravitatsioonile iseeneslikult kasvama • Tiheneva pilve potentsiaalne energia kahaneb ning vabaneb soojusena – gaasikera temperatuur hakkab kasvama – sünnib prototäht

19. Tähe „elulugu“ • Prototäht tiheneb, tema pinnatemperatuur ja ka sisetemperatuur suurenevad. Teatud hetkel saavutatakse prototähe sisemuses tingimused, mis on vajalikud termotuumareaktsioonide käivitamiseks – prototähest saab „päris“ täht. • Termotuuma reaktsioonide käigus vabanev energia hakkab tungima tähe pinnale avaldades seejuures ümbritsevale keskkonnale rõhku. Kui energia rõhumisjõud saab võrdseks iseenesliku kokkutõmmet põhjustava gravitatsiooniga, saabub tähe tasakaaluolek (täht jõuab HRD peajadale) • Tähes toimuvate termotuumareaktsioonide käigus tekib üha raskemaid keemilisi elemente, paraku vabaneb raskemate elementide tekkel vähem energiat kui kergemate tekkel ning tuuma välisosa hakkab paisuma

20. Tähe „elulugu“ • Ammendanud kogu „termotuumakütuse“ ja • jahtub aeglaselt (kui tähe mass on väiksem kui Päikese mass) muutudes lõpuks pruuniks kääbuseks. • heidab täht ära oma pindmised kihid ja japlahvatab noova või supernoovana ning pärast plahvatust jääb alles kas: • Ülitihe ja ülikuum tuum (valge kääbus), mis kiirgab ümbritsevasse keskkonda alguses röntgenkiirgust, siis aina pikalainelisemat (külmemat) kiirgust kuni lõpuks täielikult jahtub (pruun kääbus) – mass kuni 100 Päikese massi • Must auk – mass üle 100 Päikese massi • Mida suurem on tähe mass, seda kiirem on elukaar sünnist surmani (so termotuuma-reaktsioonide lõppemiseni)

21. Must auk • Iga (taeva)keha jaoks on olemas kiirus, millega liikudes on võimalik rebida end lahti selle keha raskusväljast. • Seda kiirust nimetatakse paokiiruseks (ehk II kosmiliseks kiiruseks) • Esimesest kosmilisest kiirusest piisab, et saavutada ringjoonekujuline tiirlemistrajektoor (Maal ca 8 km/s) • Kuul on paokiirus ca 2,4 km/s • Maal on paokiirus ca 11,2 km/s • Päikesel on paokiirus ca 618 km/s • Musta augu korral ületab paokiirus valguse kiirust so 300 000 km/s • Kuna miski ei saa liikuda kiiremini kui valgus, siis satuvad nii valgus kui mistahes muu info musta augu poolt seatud „gravitatsioonilõksu“

22. Must auk • Iga (taeva)keha jaoks on olemas kindel raadius nn Schwarzschildiraadius (Rs), milleni teda kokku surudes saavutatakse olukord, kus paokiirus muutub valguse kiirusest suuremaks • Kus G=6,67·10-11 N·m2/kg2 – gravitatsioonikonstant; M – taevakeha mass ja c=3·108 m/s – valguse kiirus vaakumis • Mõnede taevakehade Schwarzschildiraadiused: • Päikese Rs= 2 950 m • Maa Rs= 9 mm

23. Galaktikad

24. Linnutee • Lisaks planeetidele (mis muutsid päev-päevalt oma asukohta) ja kinnistähtedele (mille asukoht ei muutunud), on öötaevas näha ka valkjat „udu“, mida Eestis on ikka kutsutud Linnuteeks, sest ta on peaaegu põhja-lõuna suunaline • Teistes keeltes enamasti „piimatee“: • Γαλακτικωσ (loe: galaktikos, kreeka k); • MilkyWay (inglise k); • Milchstraße (saksa k) • Млечный путь (vene k) • Peale teleskoopide leiutamist avastati, et see „udu“ koosneb miljonitest silmale nähtamatutest tähtedest. • Kreeka keele eeskujul said paljudest tähtedest koosnevad tähesüsteemid nime galaktika

25. Linnutee kuju ja mõõdud Linnutees asuvaid tähti uurides on jõutud järeldusele, et • Linnutee on kettakujuline • ketta läbimõõt 100 000 ly • ketta paksus 1 000 ly • Linnutees on 200 … 400 miljardit tähte • Linnutee tähtede tihedus on piirkonniti väga erinev: • Tsentris kuni 1000 pc-3 • Päikese läheduses 0,1 pc-3 • Äärele lähemal veelgi väiksem • Linnutee mass on ca 0,2 triljonit Päikese massi • Linnutee vanus on ca 13 … 15 miljardit aastat • Linnutee tiirleb ümber oma keskpunkti, tehes täispöörde ca 250 miljoni aastaga • erinevalt Päikesesüsteemist kus tsentrist kaugemad planeedid liiguvad aeglasemalt kui lähedasemad, on Linnutee tähtede liikumiskiirus igal pool peaaegu ühesugune (või isegi suureneb kauguse kasvades)

26. Teised silmaga nähtavad galaktikad • Lisaks Linnuteele, on öötaevas näha ka teisi „udusid“ • Andromeda „udukogu“ • Orioni „udukogu“ • Suur Magalgaesi Pilv • Väike Magalhaesi Pilv • mis kõik osutusid teleskoobiga vaatlemisel tähekogudeks e. galaktikateks • Täna on kataloogidesse kantud ca miljard galaktikat, igaühes vähemalt 1 miljard tähte

27. Galaktikate tüübid • Avastatud galaktikad jagunevad järgmisteks tüüpideks: • elliptilised galaktikad • spiraalgalaktikad • korrapäratud galaktikad • Galaktikad on tekkinud ürgsetest gaasi- ja tolmupilvedest, milles tähed on „välja tihenenud“ • Galaktikad liiguvad üksteise suhtes ning piisavalt lähedale sattudes võivad nad üksteist mõjutada – paljud spiraalsed galaktikad võivad olla tekkinud galaktikate kokkupõrkel

28. Universum

29. Universumi kärgstruktuur • Nii nagu tähed moodustavad enam või vähem korrapäraseid süsteeme – galaktikaid, nii moodustavad ka galaktikad suuremaid süsteeme – galaktikaparvi. • Galaktikaparved ei asu maailmaruumis juhuslikult vaid moodustavad mesilaskärje sarnaseid „rakkusid“, mille diameeter on ca 100 Mpc (330 milj. ly) • Kärjeseinte vaheline ruumi võime lugeda täielikuks vaakumiks, kus osakeste kontsentratsioon on 1 osake/m3.

30. Suur Pauk • Uurides galaktikate liikumist Päikesesüsteemi suhtes avastati, et mitte ainult kõik tähed Galaktikas ei eemaldu Päikesest vaid ka kõigi galaktikate spektrid on tugevas punanihkes – ehk enamik galaktikad eemalduvad meist (ja ka üksteisest) • See fakt on aluseks teooriale, mille kohaselt sai meie Universum alguse ühest ruumipunktist, mis mingil põhjusel paisuma hakkas. • Selle paisumise alghetke nimetatakse Suureks Pauguks – sündmuseks, • Suures Paugus said samaaegselt alguse nii ruum, aeg kui ka aine. • Kuna aeg saab alguse Suurest Paugust, ei saa me esitada küsimust „mis oli enne seda?“

31. Universumi evolutsioon • t=0s  Suur Pauk – kõik saab alguse mitte millestki (T=1032K?; d<<10-50cm) • t=10-32s  T=1028K; d=10-34m  ülikuumas ja tihedas massis tekivad kvargid • t=10-5s  T=1012K; d=10-4m  „kvargisupis“ hakkavad tekkima kvark-kolmikud – prootonid ja neutronid • t=3000 a  T=1000K; d=10-2m  „elementaarosakeste supis“ hakkavad tekkima neutraalsed aatomid, Universum muutub kiirgusele läbipaistvaks. • t=300 000 a  T=3500K – „ürgaine“ koguneb rakuseintesse • t=200 mln a  T=27K – hakkavad tekkima tähed ja galaktikad • Universumi praegust vanust hinnatakse ca 14 miljardile aastale, keskmine temperatuur 2,7K, (nähtava osa) läbimõõt 93 mlrd valgusaastat • NB! Universumi arengu kirjeldamiseks on kasutusele võetud „inflatsioonilise arengu etapp“ – see on ajavahemik, mille jooksul paisus Suures Paugus tekkinud ruum valguse kiirusest kiiremini, mistõttu pole meil lootuski vaadelda Universumi äärealasid

32. Mis saab edasi? See, mis juhtub Universumi arengus edasi sõltub Universumi massist • LÕPUTU PAISUMINE • Kui Universumi mass on teatavast kriitilisest massist väiksem, siis jätkab ta paisumist ja jahtumist kuni saavutatakse temperatuur 0K, mille juures soojusliikumine lakkab • SUUR KOLLAPS • Kui Universumi mass on sellest kriitilisest massist suurem, siis võib teatud ajahetkel paisumine asenduda kokku tõmbumisega, tema temperatuur hakkab tõusma ning see kokkutõmbumine lõppeb samuti kogu olemasoleva koondumisega ühte punkti.

33. Antroopsusprintsiip • 1973. aastal sõnastas BrandonCarter nn antroopsusprintsiibi, mille kohaselt Universumi ehitus ja areng on täpselt sellised, et seal saaks eksisteerida inimene (vaatleja) • Antroopsusprintsiip ei ole füüsika- ega ka teiste loodusseaduste abil tõestatav, kuid sellest lähtuvalt on võimalik selgitada nii tähtede, galaktikate, Päikesesüsteemi kui ka elu tekkimist • Mistahes teistest loodusseadustest lähtudes on elu (ja inimühiskonna) tekkimine loodusseaduste vastane.

34. Teised universumid? • Paljusid vaevab küsimus: „Kas on olemas teisi universumeid?“ • Võimalik, et on olemas lõpmatul hulgal universumeid, kuid paraku pole meie Universumis viibival vaatlejal praeguste teadmiste kohaselt põhimõtteliselt võimalik nende kohta informatsiooni saada.