Michael Keller VIII LO im. A. Asnyka w Łodzi. E-mail: michaelkeller@o2.pl

1. Michael Keller VIII LO im. A. Asnyka w Łodzi. • E-mail: michaelkeller@o2.pl

2. Zjawiska fizyczne • Prezentacja zawiera ciekawe materiały dotyczące kosmosu oraz jego budowy

3. Powstanie wszechświata • Panuje pogląd, że Wszechświat powstał wskutek potężnej eksplozji, tzw. Wielkiego Wybuchu, przed około 10-15 miliardów lat. Cała istniejąca materia powstała w ułamek sekundy w nieskończenie małej przestrzeni, rozpraszając się we wszystkich kierunkach z niewiarygodnie wielką prędkością. W miarę rozszerzania się Wszechświata, wyrzucona w przestrzeń materia, rozgrzana pierwotnie do bardzo wysokich temperatur, zaczęła stygnąć. Podczas jej schładzania powstały cząstki elementarne, które łaczyły się, tworząc protony i neutrony. Dokonywała się także synteza atomów wodoru i tlenu. Współczesny wszechświat składa się większości tych gazów. Wszechświat rozszerza się nadal, jednaże pewnego dnia może zwolnić bieg i znieruchomieć poczym zacznie się kurczyć w ostateczną wielką Kontrakcję.

4. Zarys dziejów

5. Droga mleczna • Słońce jest zaledwie jedną z 200 miliardów gwiazd spiralnego dysku naszej Galaktyki - Drogi Mlecznej. Układ Słoneczny znajduje się w jednym ze "spiralnych" ramion Drogi Mlecznej, dzięki czemu większość gwiazd widzialnych z Ziemi pojawia się w biegnącej przez niebo białej smudze.

6. Kwazary • Punktowe obiekty optyczne widoczne na niebie w miejscach niektórych radioźródeł zostały na przełomie lat pięćdziesiątych i sześćdziesiątych nazwane kwazarami (QSO, ang. quasi-stellar object - obiekt gwiazdopodobny). W wyniku systematycznych poszukiwań kwazarów różnymi metodami współczesna definicja tych obiektów zawiera następujące elementy: a) obraz kwazara na zdjęciu jest nieodróżnialny od gwiazdy; b) w widmie kwazara występują szerokie linie emisyjne; c) widmo kwazara jest silnie przesunięte w stronę fal długich (przesunięcie widma ku czerwieni); d) widmo ciągłe (kontinuum) wykazuje nadwyżkę promieniowania w nadfiolecie (ultrafiolecie). Blask wielu kwazarów zmienia się w skali miesięcy lub lat. Natomiast duża jasność radiowa cechuje jedynie około 10% kwazarów. To doskonała ilustracja roli, jaką w astronomii odgrywa selekcja obserwacyjna. Po raz pierwszy kwazary zwróciły uwagę astronomów promieniowaniem radiowym, gdyż w dziedzinie optycznej mają niepozorny wygląd, przypominając gwiazdy z naszej Galaktyki. Gdyby w poszukiwaniach kwazarów stosować nadal tylko kryterium radiowe, 90% tych obiektów wciąż czekałoby na odkrycie.

7. Mgławica trójdzielna • Mgławica Trójdzielna to obłok pyłu i gazu. Nie świeci własnym blaskiem, lecz światłem odbitym. Obszar poświaty czerwonej daje wodór rozjaśniony przez powstające w nim gwiazdy.

9. Czarna dziura • Obiekt, którego istnienie postulowali Michell i Schwarzschild to czarna dziura. Termin ten powstał jednak dość późno, bo ukuł go wybitny amerykański fizyk - John Wheeler dopiero w 1969 roku. Nazwa ta nie spodobała się francuskim fizykom, bo w ich języku czarna dziura ma dwuznaczne konotacje, więc proponowali oni inne określenie: gwiazda ukryta. W końcu jednak termin: czarna dziura przyjął się w międzynarodowym środowisku naukowym. Jak powstaje czarna dziura? Właściwie dla każdej masy można wyznaczyć objętość, wewnątrz której upakowanie tej masy stworzyłoby czarną dziurę. Dla wszystkich przedmiotów, które widzimy wokół siebie na co dzień ta objętość jest oczywiście mniejsza niż ta, którą one same posiadają. Zmieszczenie takiej samej masy w owej małej objętości wiązałoby się z drastycznym zwiększeniem gęstości. A więc każda masa mogłaby teoretycznie być czarną dziurą, ale potrzebne jest do tego takie ściśnięcie jej, by osiągnęła pewna graniczną gęstość. Dlaczego więc pojęcie czarnej dziury zawsze wiąże się z ogromnymi masami gwiazd? Otóż dlatego, że tylko masy przekraczające 3 masy Słońca (3 Msł) są w stanie osiągnąć ową graniczną gęstość w wyniku zapadania się pod własnym ciężarem. Musimy tu też nadmienić, że dzieje się to wtedy, gdy paliwo do syntez nuklearnych zostaje wyczerpane, bo wtedy znika ciśnienie fotonów, które równoważy grawitację i zapobiega samozapadnięciu gwiazdy. Tak więc nasze Słońce po wyczerpaniu swego paliwa termonuklearnego nie stanie się czarną dziurą. Wszystkie masy poniżej 3 Msł mogłyby zamienić się w czarne dziury tylko gdyby zostały ściśnięte przez siły zewnętrzne. Znany angielski fizyk - Stephen Hawking postuluje istnienie takich obiektów, które nazwał pierwotnymi czarnymi dziurami. Uważa on, że powstawały one we wczesnej fazie życia wszechświata w wyniku fluktuacji ciśnień. Koncepcja ta pozostaje jednak czysto hipotetyczna, bo jak na razie nie znaleziono przekonujących dowodów na ich realne istnienie

10. Prześledźmy teraz proces powstawania czarnej dziury na poniższym rysunku i zastosujmy prawo powszechnego ciążenia Newtona (jest to podejście prymitywne, ale daje rozeznanie zjawiska. Nie możemy zastosować tu OTW ze względu na zbyt skomplikowaną matematykę). Na powierzchni zapadającej się gwiazdy o masie M (większej niż 3 Msł) siła grawitacji wynosi GMm/R2, gdzie G to stała grawitacyjna, M - masa gwiazdy, m - masa ciała na powierzchni gwiazdy, R - promień gwiazdy. Dlaczego promień gwiazdy występuje w tej zależności skoro ciała stykają się, a we wzorze Newtona występuje R jako odległość? Otóż dlatego, że gwiazda ma swoją rozciągłość, a Newton jako pierwszy pokazał, że siła na powierzchni ciała kulistego o masie M i promieniu R jest równa sile, jaką w odległości R wywierałaby masa M umieszczona cała w środku tej kuli. Możemy więc wyobrazić sobie masę M i m jako dwa punkty oddalone od siebie o R

12. Gdy gwiazda samoistnie zaczyna zapadać się, zmniejsza się jej promień (R), czyli siła grawitacji na jej powierzchni wzrasta, bo R znajduje się w mianowniku. Jak wynika z obliczeń dla pewnego R granicznego (Rg) siła ta jest tak duża, że nawet światło nie jest w stanie opuścić powierzchni gwiazdy. Wtedy to staje się ona czarną dziurą. Cała mieści się pod sferą o promieniu Rg. Ta sfera nosi nazwę horyzontu zdarzeń, a promień tej sfery czyli promień graniczny ? to promień Schwarzschilda. • gdzie: Rg - promień Schwarzschilda, M - masa ciała, G - stała grawitacji, c - prędkość światła.

13. Jak głosi termodynamika, ciało o niezerowej entropii ma niezerową temperaturę. A jeśli tak, to musi ono promieniować. Nie byłoby w tym nic dziwnego, ale czarna dziura z definicji nie może promieniować, bo nic się z niej nie wydostaje. Na pomoc przyszły jednak fluktuacje pól kwantowych. W pobliżu horyzontu zdarzeń (po jego zewnętrznej stronie), w wyniku owych fluktuacji powstają pary cząstek wirtualnych. Jedna ma energię ujemną, druga dodatnią. W silnym polu grawitacyjnym czarnej dziury cząstka o energii ujemnej może stać się rzeczywistą. Wtedy to nie musi anihilować z drugą i ta może odlecieć w przestrzeń kosmiczną stając się częścią promieniowania czarnej dziury. Z obliczeń wynika, że temperatura czarnej dziury o masie kilku mas Słońca wynosi kilka dziesięciomilionowych stopnia K, czyli jest bardzo nikła. Im większą czarna dziura ma masę, tym niższą ma temperaturę.

14. Czarna dziura w centrum drogi mlecznej • Zdjęcie promieniowania rentgenowskiego z centrum Galaktyki, wykonane przez satelitę Chandra.

15. Komety • Niezwykły wygląd komet już od najdawniejszych czasów wywoływał u ludzi zabobonny strach, widziano w nich zapowiedź zbliżających się klęsk i wojen. Obecnie wiemy, że komety są nieregularnymi bryłami materii, składającymi się ze skalnego rdzenia oraz zestalonych cieczy i gazów, takich jak woda, amoniak, metan, cyjan i innych, tworzących tzw. jądro komety. Rozmiary jądra wynoszą od kilku do kilkudziesięciu kilometrów. • Jednak widowiskowość komet związana jest z istnieniem takich jej elementów jak coma, głowa oraz warkocz. Coma jest okrągłą lub owalną mgiełką unoszącą się wokół jądra, powstałą wskutek ulatniania się gazów, a następnie cieczy z jądra komety przy zbliżaniu się do Słońca. Coma w przypadku jasnych komet rozrasta się w głowę, mającą średnicę od 50 000 do ponad 250 000 km. W przypadku komety z roku 1811 średnica głowy wynosiła około półtora miliona kilometrów, a więc była większa od średnicy Słońca. Przy zbliżeniu się komety na odległość około 1.5 - 2 j.a. od Słońca pojawia się warkocz, skierowany zawsze od Słońca, rozciągający się na odległość od 10 do 100 milionów km. W przypadku niektórych komet długość ta osiągała nawet ponad 300 milionów km. • Przeważająca liczba komet biegnie po orbitach zbliżonych do parabol, przy czym przeważnie są to elipsy o mimośrodzie bardzo zbliżonym do jedności. Ich orbity mają wszelkie możliwe nachylenia do ekliptyki od 0o do 180o, co świadczy, że mogą one przebiegać przez układ planetarny we wszystkich możliwych kierunkach. Istnieje wiele teorii tłumaczących powstawanie komet. Najnowsze badania, a zwłaszcza modelowanie ewolucji Układu Słonecznego przy pomocy komputerów przemawiają za słusznością hipotezy holenderskiego astronoma, J.H. Oorta. Wyraził on przypuszczenie, że komety są ściśle związane ze Słońcem, tworząc dokoła niego chmurę o promieniu około 150 000 j.a., wędrującą wraz ze Słońcem w przestrzeni międzygwiazdowej.

17. Planetoidy • W XVIII wieku zauważono, że odległości planet od Słońca wzrastają w sposób dość regularny i tylko między orbitą Marsa i Jowisza daje się zaobserwować raptowne zwiększenie odległości. W latach 1766 -1772 dwaj astronomowie niemieccy, Johann D. Titius i Johann E. Bode, znaleźli empiryczny wzór opisujący odległości planet od Słońca. Zgodnie z nim odległość planety od Słońca, wyrażona w jednostkach astronomicznych jest równa • An=0.4+0.3*2n

18. Burze • Burza jest rezultatem silnych procesów konwekcyjnych, które wiążą się z unoszeniem powietrza i gwałtownym uwalnianiem ciepła kondensacji na dość ograniczonym obszarze. Pierwszą oznaką zachodzącej konwekcji są chmury pionowe Cumulus, a następnie Cumulonimbus. Chmurom kłębiastym deszczowym towarzyszą zazwyczaj krótkotrwałe, przelotne opady o dużym natężeniu. Są one połączone z wyładowaniami elektrycznymi o charakterze iskrowym, zwanymi błyskawicami. Z burzą związane są zmiany innych parametrów stanu atmosfery, np. nagłe wzmocnienie siły wiatru, skokowy spadek ciśnienia.

19. Tornado • Tornado to powietrzny wir w kształcie leja lub rękawa. Jest to zjawisko trwające zaledwie kilka minut, ale bardzo gwałtowne i katastrofalne w skutkach. Najczęściej nawiedzanym przez tornada krajem są Stany Zjednoczone. Od Teksasu do Północnej Dakoty rozciąga się tzw. Aleja Tornad - 1600 kilometrów z północy na południe, 950 kilometrów ze wschodu na zachód. Co roku w Stanach Zjednoczonych na ziemię schodzi około 900 tornad, z czego większość właśnie w Alei Tornad. Jest to najbardziej zagrożony tornadami obszar na świecie.Tornada w Ameryce są napędzane przez ciepło. Wiosną ciepłe powietrze znad Zatoki Meksykańskiej przemieszcza się na północ. Tam zderza się z chłodnym powietrzem płynącym znad Kanady w kierunku południowym. W miejscach spotkania się tych dwóch mas powietrza tworzą się ogromne chmury burzowe (tzw. superkomórki). W ich wnętrzu rozpoczyna się intensywna wymiana powietrza. Ciepłe powietrze jest wsysane do wnętrza chmury, gdzie ochładza się i ponownie opada w dół. Gwałtowne prądy zderzają się i zaczynają wirować wokół siebie. Chmury wewnątrz których dochodzi do gwałtownych turbulencji mas powietrza ma wysokość około 20 kilometrów i rozciąga się na obszarze 32 kilometrów. Właśnie w takich chmurach rodzą się tornada.

21. Zorza polarna • Światło zorzy polarnej bez wątpienia należy do najwspanialszych widowisk w przyrodzie dostępnych ludzkim oczom. Ciemność nocy polarnej rozdzierają drżące łuki i wstęgi fioletu oraz błękitu, niebo przecinają jasne, zielone promienie z błyszczącymi czerwonymi końcówkami. Wspaniałe białe draperie o fantastycznej wewnętrznej strukturze zmieniają swe kształty i łączą się wielokrotnie w ciągu minuty. W tym samym czasie pasma pulsującego światła tworzą widok dający się porównać jedynie ze wspaniałym zachodem Słońca, lecz pozostający w nieustannym ruchu.

22. Gloria • Gloria powstaje na skutek dyfrakcji światła (ugięcia fal) na kroplach wody lub kryształkach lodu. Jest zjawiskiem optycznym polegającym na wystąpieniu barwnych pierścieni wokół cienia obserwatora widocznego na tle chmur lub mgły, przy czym niebieski pierścień ma mniejszą średnicę od czerwonego. Gloria podobna jest do wieńca, jednak powstaje nie dookoła Słońca lub Księżyca, lecz dookoła punktu, położonego po stronie przeciwnej względem tarczy ciała niebieskiego. Zjawisko to występuje na chmurach, położonych na wprost przed obserwatorem, albo niżej od niego, tj. w górach lub przy obserwacjach z samolotu. Na te same chmury pada cień obserwatora i wówczas wydaje się, że gloria otacza cień jego głowy. Gloria powstaje wskutek ugięcia się światła, uprzednio odbitego od kropelek chmur, tak że powraca ono od chmur w tym samym kierunku, w jakim na nie padało.

23. Tęcza • Tęcza jest jednym z efektowniejszych zjawisk optycznych w atmosferze. Jest to układ koncentrycznych łuków o barwach od fioletowej do czerwonej, wywołanych przez światło Słońca lub Księżyca, padające na zespół kropel wody w atmosferze (krople deszczu, mżawki lub mgły). W tęczy głównej barwa fioletowa występuje po wewnętrznej stronie, a barwa czerwona po zewnętrznej stronie. W tęczy wtórnej, o znacznie mniejszej jasności od tęczy głównej, czerwona barwa jest od wewnątrz, a fioletowa na zewnątrz. Zjawisko powstaje na skutek rozszczepienia światła białego i odbicia go wewnątrz kropel deszczu. Łuk pierwszy to wynik jednokrotnego, a drugi dwukrotnego odbicia rozszczepionego światła wewnątrz kropli (stąd odwrócona kolejność barw i mniejsze natężenie światła). Tęczę obserwuje się na tle chmur, z których pada deszcz, znajdujących się po przeciwnej stronie nieba niż Słońce (zjawisko obserwowano również przy świetle Księżyca). Warunki, przy których obserwuje się typową tęczę mają przeważnie miejsce w przypadku chmur kłębiastych deszczowych. Natężenie światła, szerokość i barwa tęczy wahają się w szerokim przedziale w zależności od rozmiarów kropel. Tęczę obserwuje się również w bryzgach fal morskich, wodospadów i fontann.

25. Dziękuję za obejrzenie prezentacji. • Mam nadzieję iż się państwu podobała.