Astronomie (výběrový kurz) Kód: KFY/0179 Rozsah: 2/0 Z Přednáška: pondělí od 12:00 do 13:40 v učebně č. 345 RNDr. Zdeněk Moravec, Ph.D. katedra fyziky PřF UJEP

Úvodní přednáška  doporučená literatura  čím se zabývá astronomie  obory astronomie  metody astronomického výzkumu  pohled do historie astronomie  astronomické instituce u nás a ve světě  astronomická literatura, astronomie na WWW

Doporučená literatura - základní  Macháček, M.: Fyzika pro gymnázia - Astrofyzika. Prometheus, Praha,  Kleczek, J.: Velká encyklopedie vesmíru. Academia, Praha,  prezentace na www:

Doporučená literatura - doplňková: Hacar, B.: Úvod do obecné astronomie, SPN, Praha, Široký J., Široká M.: Základy astronomie v příkladech. SPN, Praha, 1966, 1970, 1973, Šolc, M., Švestka, J., Vanýsek, V.: Fyzika hvězd a vesmíru. SPN, Praha, Kleczek, J.: Slunce a člověk. Academia, Praha, Kopal, Z.: Vesmírní sousedé naší planety. Academia, Praha, Rükl, A.: Atlas Měsíce. Aventinum, Praha, Hlad, O. a kol.: Atlas Coeli Novus , HaP Praha a ETC Publishing, Praha, Valníček B.: Moderní technika v astronomii, Nakladatelství Československé akademie věd, Praha, 1964

Doporučená literatura – populárně naučná:  Dvořák, J., Křivský, L.: Slunce náš život. Panorama, Praha,  Grygar, J.: Vesmírná zastavení. Panorama, Praha,  Grygar, J.: Vesmír jaký je. Mladá fronta, Praha,  Grygar, J., Horský, Z., Mayer, P.: Vesmír. Mladá fronta, Praha,  Hajduk, A. a kol.: Encyklopédia astronómie. Obzor, Bratislava,  Hawking, S. W.: Stručná historie času. Mladá fronta, Praha,  Hawking, S. W.: Černé díry a budoucnost vesmíru. Mladá fronta, Praha,  Horský, Z., Mikulášek, Z., Pokorný, Z.: Sto astronomických omylů přivedených na pravou míru. Svoboda, Praha,  Kleczek, J.: Vesmír kolem nás. Albatros, Praha,  Kopal, Z.: Zpráva o vesmíru. Mladá fronta, Praha,  Mikulášek, Z., Pokorný, Z.: Záludné otázky astronomie , Rovnost, Brno,  Mikulášek, Z., Pokorný, Z.: 220 Záludných otázek astronomie. Rovnost, Brno,  Novikov, I.: Černé díry a vesmír. Mladá fronta, Praha,  Pittich, E., Kalmančok, D.: Obloha na dlani. Obzor, Bratislava,  Rükl, A.: Obrazy z hlubin vesmíru. Artia, Praha,  Weinberg, S.: První tři minuty. Mladá fronta, Praha, 1983, 2000 (2. aktualizované vydání).  Železný, V.: Návraty první dámy. Panorama, Praha, 1986.

Čím se zabývá astronomie?  Původ názvu oboru: αστρον = hvězda νομοσ = zákon  Věda o vesmíru  Zkoumá vznik, vývoj, stavba, rozložení, pohyb a vzájemné působení vesmírných těles a jejich soustav  Vesmírná tělesa: –sluneční soustava (Slunce, planety a jejich měsíce, komety, planetky, meteoroidy) –hvězdy a jejich soustavy (dvojhvězdy, hvězdokupy), hvězdy v konečné fázi života (bílí trpaslíci, neutronové hvězdy, černé díry), extrasolární planety –Galaxie (Mléčná dráha), mezihvězdná látka –galaxie, kvasary, kupy galaxií

Obory astronomie astrometrie (poziční astronomie) –sférická a., fundamentální a., praktická a. astrodynamika (nebeská mechanika) astrofyzika (fyzika vesmíru) –Podle metody: astrofotometrie, astrospektroskopie, fotoelektrická a., CCD a., radioastronomie, infračervená a., ultrafialová a., rentgenová a., neutrinová a. –Podle předmětu: fyzika hvězd, fyzika Slunce, fyzika planet, kometární a., meteorická a., fyzika mlhovin,... stelární astronomie (hvězdná astronomie) –Podle metody: stelární statistika, stelární kinematika, stelární dynamika –Podle předmětu: galaktická astronomie, extragalaktická astronomie kosmogonie (vznik a vývoj vesmírných těles a jejich soustav) –kosmogonie sluneční soustavy, hvězdná kosmogonie, kosmogonie galaxií kosmologie (stavba a vývoj vesmíru jako celku)

Metody astronomického výzkumu Základem je astronomické pozorování Hlavním zdrojem informací je elmag. záření  směr → poloha objektu  čas → pohyb objektu  spektrum → chemické složení, fyzikální podmínky, pohyb, vzdálenost Nevýhoda: vesmírné děje nelze opakovat nebo ovlivňovat. Cílem každého pozorování je tudíž získat co nejvíce informací o elmag. záření pomocí kvalitní pozorovací techniky.

Metody astronomického výzkumu meteority + vzorky z Měsíce: zatím jediná látka z vesmíru dostupná pro laboratorní výzkum. Některé meteority pochází i z Marsu kosmický výzkum pomocí družic a přístrojů na oběžné dráze

Historický přehled Astronomie je jedna z nejstarších věd. Stopy astronomických znalostí nacházíme u nejstarších civilizací. Cíl: předvídat pravidelně se opakující jevy v přírodě a na obloze – sklizeň plodin. Začátky astronomie souvisí především s praktickými potřebami našich předků.

Začátky astronomie v Asii Sumeři: 4000 př.n.l. – světové strany Babyloňané: 2200 př.n.l. 5 planet – bludné hvězdy, ekliptika, některá souhvězdí dochovaná dodnes; 700 př.n.l. – synodický měsíc 29 dní 12 hod 44 min 7.5 sec, pozorování zatmění Slunce a Měsíce, objev periody Saros (223 synodických Měsíců); 6. století př.n.l. zavedení přestupného měsíce (museli vyrovnat kalendář, který měl 12 měsíců po 30 dnech) Číňané: záznamy o kometách, zatměních a konjunkcích planet, předpovědi zatmění již 2000 př.n.l. (dvorní astronomové Hi a Ho popraveni, neboť 2137 př.n.l. nenahlásili dopředu zatmění Slunce); 1100 př.n.l. sklon ekliptiky k rovníku, rok má 365,25 dní, Měsíc vystřídá fáze za 29,5 dne; 4. století př.n.l. první známý hvězdný katalog

Začátky astronomie v Africe, Americe a Evropě Egypťané: 4000 př.n.l. – rok trvá 365 dní, východ Síria těsně před záplavami Nilu; 3000 př.n.l. sluneční hodiny, astronomická orientace pyramid Mayové: 3379 př.n.l. záznam o zatmění Měsíce, 1000 př.n.l. dochované stavby astronomických observatoří Britové: 1900 př.n.l. – Stonehenge – náboženské obřady i astronomická pozorování

Astronomie ve starém Řecku Thales z Milétu (asi 625 – 547 př.n.l.): pozoroval př.n.l. zatmění Slunce a úspěšně ho předpověděl na př.n.l. Hvězdy svítí vlastním světlem, zatímco Měsíc pouze světlem odraženým. Zemi ale pokládal za plochou desku plující na vodě. Anaximandros (asi 611 – 546 př.n.l): geocentrický pohled – Země je střed viditelného světa Pythagoras (asi 580 – 500 př.n.l.): Země je koule nacházející se ve středu vesmíru. Vlastnosti hmoty objasňoval pomocí čísel.

Astronomie ve starém Řecku Anaxagoras (500 – 428 př.n.l.): Slunce je žhavý kámen, větší než Peloponésos. Filolaos (2. polovina 5. stol. př.n.l.): světový systém s centrálním ohněm ve středu vesmíru, okolo kterého obíhá Země, hypotetická Protizem přesně na opačné straně ohně, Slunce, Měsíc a všechny planety. Země se otáčí. Demokritos (asi 460 – 370 př.n.l.): vesmír je nekonečný a je v něm nekonečné množství světů. Mléčnou dráhu správně vysvětlil jako soubor velkého množství hvězd. Zavedl pojem „atom“.

Astronomie ve starém Řecku Eudoxos z Knidu (408 – 355 př.n.l): zjistil nepravidelnosti ve zdánlivém pohybu planet, první geocentrická teorie pohybu Slunce, Měsíce, planet a hvězd kolem Země. Aristoteles (384 – 322 př.n.l.): systema- ticky uspořádal tehdejší znalosti o vesmíru. Pozoroval stín Země při zatmění Měsíce. Nehybná Země je středem vesmíru, okolo Země obíhá po dokonalých kruhových drahách Měsíc, Slunce a 5 planet, každá na samostatné sféře. Poslední sféra je sféra nehybných hvězd. Komety jsou krátkodobé atmosférické jevy, Mléčná dráha jsou éterické výpary vyvolané rychlým pohybem hvězd kolem Země.

Astronomie ve starém Řecku Herakleides z Pontu (asi 388 – 315 př.n.l.): opravil Aristotelův systém: Merkur a Venuše obíhá kolem Slunce a s ním okolo Země – lépe souhlasí s pozorováním. Země se otáčí. Aristarchos ze Samu (320 – 250 př.n.l.): jako první předpokládá, že Země se pohybuje kolem nehybného Slunce (heliocentrická soustava). Určil měřením poměry rozměrů a vzdáleností Země, Měsíce a Slunce: Slunce je 19 krát dále než Měsíc a 6,75 krát větší než Země, Měsíc je 2,8 krát menší než Země. Vzhledem k autoritě Aristotela se jeho názory neujaly. Archimedes ze Syrakus (287 – 212 př.n.l.): „Pod slovem svět většina astronomů myslí kouli, jejíž střed je ve středu Země a jejíž poloměr se rovná vzdálenosti Slunce od Země.“

Alexandrijská astronomie poč. 3. století př.n.l. založeno vědecké středisko s bohatou knihovnou. Eratosténes z Kyrény (276 – 194 př.n.l.): přesné určení rozměrů Země na základě pozorování různé výšky Slunce zavedení přestupného roku o 366 dnech každý 4. rok – 238 př.n.l. Hipparchos z Nikaie (190 – 125 př.n.l.): otec astronomie, sestrojil přesnější měřící přístroje a sám byl vynikajícím pozorovatelem, sestavil hvězdný katalog (850 hvězd), na určení jasností hvězd zavedl stupnici používanou dodnes, s přesností na 10% určil vzdálenost Země – Měsíc, s přesností na 6 minut určil délku roku, objevil precesi, planety se pohybují po excentrických kružnicích – střed kružnic je mírně odchýlen od středu Země. Aby vysvětlil jemné odchylky při pohybu planet, zavedl pohyb po epicyklech (malé pomocné kružnice), jejichž středy se pohybují okolo Země po mírně excentrických větších kružnicích – deferentech. Sosigenes: 46 př.n.l. vypracoval na příkaz Julia Caesara na základě egyptských astronomických poznatků nový juliánský kalendář. Vyslovil názor, že Merkur obíhá kolem Slunce.

Alexandrijská astronomie – vyvrcholení Ptolemaios: (asi 85 – 166 n.l.): Téměř dokonalá teorie pohybu planet v rámci geocentrické soustavy v díle Almagest (původní název Megalé syntaxis – Velká stavba): 1.základy sférické astr., Ptolemaiova soustava 2.problémy sférického trojúhelníka 3.pohyb Slunce 4.základy teorie Měsíce a Slunce 5.používání a konstrukce astr. měřících přístrojů 6.tabulky Měsíce a zatmění 7.hvězdy, precese, Mléčná dráha, východy a západy Slunce 8.katalog 1025 hvězd pro 48 souhvězdí s polohami pro epochu 138,0 n.l. 9.výklad pořadí sfér planet a pohybu Merkura 10.pohyb Venuše a Marsu 11.pohyb Jupiteru a Saturnu s tabulkami planet 12.vysvětlení retrográdního pohybu planet 13.problém planetární šířky

Ptolemaiova geocentrická soustava 1.Země je koule 2.Země je ve středu nebeské sféry 3.Země nevykonává žádný postupný pohyb 4.všechna nebeská tělesa se pohybují tak, že jejich pozorovaný pohyb můžeme vysvětlit pomocí řady složených kruhových pohybů 5.planety se pohybují po epicyklech, jejichž středy obíhají kolem Země po větších kružnicích – deferentech 6.středy oběžných epicyklů Merkuru a Venuše se pohybují vždy ve směru ve kterém se nachází Slunce, přičemž oběhnou kolem Země po deferentech za stejný čas jako Slunce 7.Mars, Jupiter a Saturn vykonají pohyb po epicyklu právě za jeden rok, přičemž jejich poloha na epicyklu je orientovaná vždy stejným směrem vzhledem ke středu epicyklu, jako je orientován směr Slunce od Země 8.Dráha Slunce a Měsíce je vzhledem ke středu Země položena excentricky.

Astronomie ve středověku Řecká astronomická díla se překládají do syrského jazyka a poté do arabštiny. Především Almagest, který zásadně ovlivnil zdejší astronomii. Al-Battání (850 – 929) určil poměrně přesně hodnotu precese na 55“/rok a sklon ekliptiky porovnáním vlastních pozorování s Almagestem Další arabští astronomové provedli revizi Hipparchova katalogu, sestavili tabulky pohybů planet, provedli reformu kalendáře. V Číně vyslovili již v 7. století domněnku o vlastním pohybu hvězd (1000 let před Halleyem). Dne pozorovali vzplanutí supernovy, jejíž pozůstatkem je Krabí mlhovina a pulzar NP V roce 1281 byl v Číně zaveden kalendář s délkou roku 365,2425 dne – přesností se vyrovnává gregoriánskému kalendáři později zavedenému u nás v Evropě.

Astronomie ve středověku Ve střední Asii v Ázerbajdžánu byla ve 13. století dobře vybavená observatoř, kde sestavili vynikající tabulky pohybu planet a odvodili hodnotu pro precesi 51“/rok (jen málo odlišná od současné hodnoty 50,26“). V 15. století měla vysokou úroveň observatoř v Samarkandu, kterou založil Ulugbeg (1394 – 1449). Tabulky planet a hvězdný katalog se dostali odtud i do Evropy a jejich přesnost nebyla překonaná až do časů Tycha Braheho. Časem rostou rozdíly mezi tabulkovými a pozorovanými polohami planet … složité schéma s až 80 epicykly.

Koperníkův heliocentrismus Nicolaus Copernikus (Nikolaj Kopernik, 1473 – 1543): polský astronom, v díle De revolutionibus orbium coelestium libri VI (O pohybech nebeských sfér) uveřejnil svůj heliocentrický systém:

Koperníkův heliocentrismus 1.Země vykonává denní pohyb okolo své osy od západu na východ, čemuž odpovídá zdánlivý pohyb nebeské sféry od východu na západ 2.Země vykonává roční pohyb okolo Slunce ve směru od západu na východ, čemuž odpovídá zdánlivý pohyb Slunce v tomto směru 3.zemská osa vykonává roční kónický posun okolo kolmice k ekliptice ve směru od východu na západ, čemuž odpovídá pozorovaný precesní pohyb 4.všechny planety se pohybují okolo Slunce stejným směrem jako se okolo Slunce pohybuje i Země. 5.všechny planety se pohybují rovnoměrně po kružnicích, jejichž středy jsou mírně excentricky položené vzhledem ke středu Slunce 6.středy excentrických kruhových drah planet vykonávají okolo středu Slunce epicyklické pohyby ( takto Koperník vysvětlil nerovnoměrný pohyb planet při zachování představy rovnoměrného pohybu planet po kružnici).

Tycho Brahe (1546 – 1601) dánský šlechtic, nejlepší astronomický pozorovatel své doby. měl řadu přesných přístrojů, kterými měřil polohy planet na obloze. Dosahoval vynikající přesnosti okolo 0,5’. Za svůj život shromáždil ohromné množství přesných údajů o poloze planet, Měsíce a Slunce, jejichž rozborem pak Kepler objevil své tři zákony.

Tycho Brahe (1546 – 1601) nepřijal Koperníkovu teorii, neboť nepozoroval roční paralaxu hvězd, která z ní vyplývala. Místo toho hájil kompromisní teorii, podle které Slunce obíhá kolem Země, ale všechny ostatní planety okolo Slunce.

Giordano Bruno (1547 – 1600) dominikánský mnich, učitel na různých univerzitách. Bruno zastával Koperníkovu teorii ani Slunce není středem vesmíru, vesmír je nekonečný, existuje nekonečně mnoho sluncí s planetami a každá planeta je světem, jako je náš. V roce 1593, když se vrátil z ciziny do Itálie byl zatčen, souzen inkvizicí za kacířské názory a po sedmi letech věznění upálen.

Galileo Galilei (1564 – 1642) italský matematik, fyzik a astronom, zakladatel moderní mechaniky jako první pozoroval oblohu dalekohledem, objevil např. krátery a jejich stíny na Měsíci, fáze Venuše nebo Jupiterovy měsíce. zjistil, že Mléčná dráha se skládá z množství slabých hvězd, a jako jeden z prvních pozoroval sluneční skvrny. Některá jeho pozorování již jasně vyvracela Ptolemaiovu teorii stal se rozhodným zastáncem Koperníkovy heliocentrické teorie. Byl kvůli tomu vyšetřován inkvizicí a pod hrozbou přísných trestů byl donucen své heliocentrické přesvědčení odvolat. v roce 1992 ho katolická církev rehabilitovala.

Johannes Kepler (1571 – 1630) v roce 1609 publikoval své dílo Astronomia nova, které obsahovalo první dva zákony pohybu planet: planety se pohybují po elipsách a jejich průvodič projde za stejnou dobu stejnou plochou. Jako první tak odstranil z astronomie Platonovu myšlenku, že pohyby po obloze je třeba popisovat pomocí kružnic. v roce 1619 publikoval svůj třetí zákon (druhé mocniny oběžných dob jsou úměrné třetím mocninám velkých poloos dráhy) vynalezl dalekohled jiného typu než Galileo, daleko vhodnější pro astronomická pozorování.

Isaac Newton (1643—1727) zavedl diferenciální a integrální počet, matematický aparát, který je mj. nezbytný i pro výpočty pohybů planet. gravitace, která působí na tělesa na povrchu Země, působí stejně i na Měsíc a stejně působí i Slunce na planety zobecnil Galileovy zákony mechanického pohybu a formuloval tak své tři pohybové zákony. ze 3. Keplerova zákona odvodil, že gravitační síla klesá s druhou mocninou vzdálenosti a tak formuloval svůj zákon všeobecné gravitace, díky kterému lze vypočítat pohyby libovolných těles v gravitačním poli – od těles pozemských přes planety a hvězdy až ke galaxiím.

Rozvoj nebeské mechaniky Olaf Römer (1644—1710): dánský astronom, všiml si v roce 1676, že Jupiterovy měsíce zdánlivě obíhají rychleji, když se k nám Jupiter přibližuje a pomaleji, když se vzdaluje a správně to vysvětlil konečnou rychlostí světla. Tuto rychlost ze svých pozorování také přibližně určil. Edmund Halley (1656—1742): anglický astronom, jako první spočítal Newtonovou metodou dráhy 24 komet na základě dostupných pozorování. Mezi nimi byla i jasná kometa z roku 1682, jejíž návrat předpověděl na rok 1758 (Halleyova kometa). Laplace, Lagrange, Hamilton, Gauss, Bessel a další vypracovali matematické metody pro výpočet drah planet podle Newtonových zákonů.

Další významné objevy Herschel objevil v roce 1781 planetu Uran Piazzi objevil 1801 první planetku – Ceres Joseph Fraunhofer pozoroval spektrální čáry ve spektru Slunce a hvězd a zavedl tak do astronomického výzkumu spektroskopii, dnes nejdůležitější astronomickou metodu. Friedrich Wilhelm Bessel změřil v roce 1838 první paralaxu hvězdy, čímž získal první spolehlivý údaj o vzdálenostech hvězd. Leverrier objevil v roce 1846 planetu Neptun

Další významné objevy Albert Einstein přišel v roce 1905 se speciální teorií relativity a 1915 s obecnou teorií relativity, která opět znamenala nový pohled na gravitaci. Edwin Hubble v roce 1924 rozlišil hvězdy v blízké galaxii (Mlhovině v Andromedě), určil tím její vzdálenost a dokázal, že jde o galaxii podobnou té naší. Rovněž objevil přímou úměrnost mezi vzdáleností galaxií a rychlostí jejich vzdalování. Alexandr A. Fridman, George Gamow, Steven Weinberg, Stephen Hawking: teorie velkého třesku (big bangu) Arno Penzias, Robert W. Wilson (1965): objev reliktního záření, pozůstatku po big bangu

Astronomické organizace a instituce V Čechách: Česká astronomická společnost Sdružení hvězdáren a planetárií Astronomický ústav MFF UK (Praha) Astronomický ústav České akademie věd (Praha, Ondřejov) Ve světě Mezinárodní astronomická unie (IAU) NASA: National Aeronautics and Space Administration JPL: Jet Propulsion Laboratory ESA: European Space Agency ESO: Evropská jižní observatoř, Chille Spaceguard Foundation: nadace pro ochranu Země před nebezpečnými tělesy z vesmíru

Astronomická literatura Populární časopisy: Říše hvězd (do roku 2001), Astropis (česky), Kozmos (slovensky), Sky and Telescope, Astronomy Vědecké časopisy: Astrophysical Journal, Astronomical Journal, Astronomy and Astrophysics, Icarus, Earth, Moon and Planets, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Planetary and Space Science, Solar Physics. Sborníky mezinárodních konferencí

Astronomie na Internetu – Česky Česká astronomická společnost: co se děje v české astronomii a na obloze Instantní astronomické noviny: Astronomický ústav ČSAV: Hvězdárna a planetárium hl. m. Prahy: Hvězdárna a planetárium Brno, Kraví hora Hvězdárna a planetárium České Budějovice a Observatoř Kleť: Sdružení hvězdáren a planetárií: Potřebujete-li získat spojení na některou českou hvězdárnu, zde najdete adresář.

Astronomie na Internetu – ve světě Sky and Telescope: Astronomy Now: International Astronomical Union Space Telescope Science Institute (STScI): Nejlepší snímky se skrývají pod Heritage project. Jet Propulsion Laboratory (JPL): Družice Mars Global Surveyor, Galileo a Cassini. National Aeronautics and Space Administration (NASA): John F. Kennedy Space Center: starty amerických raketoplánů

Astronomie na Internetu – ve světě Astronomical World Wide Web Resources: Seznam většiny profesionálních astronomických institucí (ftp archivy, WWW stránky, projekty a další) The STScI Digitized Sky Survey: Fotografický atlas Palomarské přehlídky oblohy Comet Observation Home Page: Informace o právě viditelných kometách Minor Planet Center: Planetary Photojournal: obrázky těles sluneční soustavy

Některé jednotky používané v astronomii A) Jednotky délky Astronomická jednotka (AU): střední vzdálenost Země – Slunce; 1 AU = m = 8.3 světelné minuty Světelný rok (light year, ly): vzdálenost, kterou světlo urazí za jeden rok; 1 světelný rok = AU = 9, km = 0,307 pc Parsek (pc): vzdálenost, ze které se jeví poloměr dráhy Země (1 AU) pod úhlem 1 obloukové vteřiny; 1 pc = AU = 3,26 světelného roku

Některé jednotky používané v astronomii B) Jasnost Hipparchos a po něm Ptolemaios rozdělili hvězdy podle jasnosti do šesti tříd: 1. hvězdná velikost = nejjasnější hvězdy, 6. hvězdná velikost = nejslabší hvězdy viditelné pouhým okem. Dnešní definice: rozdíl 5-ti hvězdných velikostí odpovídá poměru intenzit 1:100, tedy hvězda 1. hvězdné velikosti září 100 krát více než hvězda 6. hvězdné velikosti. Slunce–26,8 m Měsíc v úplňku–12 m Venuše–4 m Sírius–1,6 m Vega0 m nejslabší hvězdy viditelné okem6 m nejslabší hvězdy viditelné triedrem10 m 60 cm dalekohled + fotografická deska17 m 60 cm dalekohled + CCD kamera21 m Hubbleův teleskop30 m

Některé jednotky používané v astronomii C) Úhlové jednotky Na nebeské sféře měříme především úhly (v jednotkách stupně °, obloukové minuty ' a vteřiny "): 1° = 60', 1' = 60". Např. průměr Slunce a Měsíce je asi 0,5° = 30'. Používá se též míra časová, kdy 360° = 24 hodin, 1 hodina = 15°.