1. ZÁKLADNÍ POJMY ASTROFYZIKY FYZIKA PRO IV. ROČNÍK GYMNÁZIA ASTROFYZIKA 1. ZÁKLADNÍ POJMY ASTROFYZIKY Mgr. Monika Bouchalová Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o. III/2-2-2-11 Tento digitální učební materiál (DUM) vznikl na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo CZ.1.07/1.5.00/34.0794 s názvem „Výuka na gymnáziu podporovaná ICT“. Zpracováno 2. března 2013 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

ZÁKLADNÍ POJMY ASTROFYZIKY Klasická astronomie, řecky (astron) hvězda a (nomos) zákon, česky též hvězdářství, je věda, která se zabývá jevy za hranicemi zemské atmosféry, především určováním poloh nebeských těles.   Astrofyzika je obor fyziky, který zkoumá vesmír, jeho struktury, objekty a procesy v něm probíhající.

ZÁKLADNÍ POJMY ASTROFYZIKY Induktivní postup – měření poloh nebeských těles  teorie Deduktivní postup – teorie  výpočet polohy tělesa v budoucnu  porovnání se skutečností Přesnost a spolehlivost výsledků (velmi neurčité) objekty jsou velmi daleko výpočty jsou časově a objemově náročné fyzikální systémy (např. atmosféry hvězd a planet) jsou nestabilní (malá odchylka na začátku způsobí velkou na konci)

HISTORIE Klaudios Ptolemaios – asi 85 - asi 165 řecký, astronom a astrolog, který žil a pracoval v egyptské Alexandrii jeho popis sluneční soustavy byl považován za správný po celých patnáct století pokládal Zemi za střed vesmíru, okolo něhož obíhají Slunce, Měsíc, planety a hvězdy, (byl zastáncem geocentrického systému) zavedl 48 souhvězdí Obr.: 1 Obr.: 2 - Ptolemaiova představa vesmíru, jehož středem je Země.

HISTORIE Mikuláš Koperník – 1473 – 1543 narodil se v Polsku, matka Němka, otec sporný byl astronom, matematik, právník, stratég a lékař tvůrce heliocentrické (sluncestředné) teorie Obr.: 4 Obr.: 3

HISTORIE Tycho Brahe – 1546 – 1601 je považován za nejpřesnějšího pozorovatele hvězdné oblohy, byl překonán až šedesát let po vynalezení dalekohledu vytvořil originální kosmologickou teorii: Země je středem vesmíru, kolem ní obíhá jen Slunce a Měsíc, ostatní planety obíhají kolem Slunce (kompromis mezi geocentrickou teorií Ptolemaia a teorií heliocentrickou Koperníka) na základě jeho pozorování (především poloh Marsu) mohl později Jan Kepler formulovat své zákony oběhu planet (před tím se ale střetl s Tychonovými dědici a naměřená data získal až po zákroku císaře) Obr.: 5

HISTORIE Galileo Galilei – 1564 – 1642 podporoval Koperníkův heliocentrický systém jako prvním použil dalekohled k pozorování oblohy. objevil Jupiterovy čtyři největší měsíce PŘEKLAD: "Měl bych odhalit a zvěřejnit světu událost objevení a pozorování čtyř planet, dosud nikdy neviděných od počátku světa až do našich časů… Z toho jsem učinil závěr a to bez zaváhání, že se tyto tři hvězdy na obloze pohybují kolem Jupiteru, stejně jako se Venuše a Merkur pohybují kolem Slunce; což se nakonec po mnoha následných pozorováních ukázalo jasným jako denní svit… …Tato pozorování navíc ukázala, že nebyly tři, ale čtyři bloudivá hvězdná tělesa vykonávající své kroužení kolem Jupiteru." Obr.: 6 - Stránka z Galileem publikovaného objevu měsíců, březen 1610.

HISTORIE Galileo Galilei – 1564 – 1642 zaznamenal, že Venuše vykazuje stejnou sadu fází jako Měsíc, usoudil, že Venuše nemůže kroužit kolem Země v konstantní vzdálenosti pozoroval sluneční skvrny (čínští astronomové již dříve) pozoroval pohoří a krátery na Měsíci pozoroval Mléčnou dráhu považovanou dosud za mrak a zjistil, že se skládá z velké spousty hvězd namačkaných na sebe tak těsně, že se ze Země jeví jako mrak Obr.: 7

HISTORIE Johannes Kepler 1571 – 1630 v roce 1600 přichází Kepler do Prahy a stává se asistentem Tychona Brahe a po jeho smrti císařským matematikem a astrologem. Na Braheho podnět propočítal dráhu Marsu a po dlouhých výpočtech objevil první dva ze svých zákonů. za svůj život sestavil na 800 horoskopů za účelem finančního zisku Obr.: 8

FYZIKÁLNÍ ZÁKONY, KTERÝMI SE ŘÍDÍ SLUNEČNÍ SOUSTAVA KEPLEROVY ZÁKONY – zákony popisující pohyby planet Planety se pohybují po elipsách málo odlišných od kružnic; v jejichž společném ohnisku je Slunce.   Plocha opsaná průvodičem planety (spojuje střed planety se středem Slunce) za jednotku času je vždy stejná. Důsledkem zákona je skutečnost, že pohyb planety po eliptické trajektorii kolem Slunce není rovnoměrný. V perihéliu P je rychlost planety největší, v aféliu A nejmenší.   Perihélium Afélium

FYZIKÁLNÍ ZÁKONY, KTERÝMI SE ŘÍDÍ SLUNEČNÍ SOUSTAVA KEPLEROVY ZÁKONY – zákony popisující pohyby planet Poměr druhých mocnin oběžných dob dvou planet se rovná poměru třetích mocnin délek hlavních poloos jejich drah. T1, T2 – oběžné doby dvou planet r1, r2 – jejich střední vzdálenosti od Slunce (dráhy planet jsou málo odlišné od kružnic) lze vypočítat poměrné vzdálenosti planet od Slunce, známe-li oběžné doby. Tzemě = 1 rok rzemě = 1AU

FYZIKÁLNÍ ZÁKONY, KTERÝMI SE ŘÍDÍ SLUNEČNÍ SOUSTAVA NEWTONŮV GRAVITAČNÍ ZÁKON Dva hmotné body o hmotnosti m1, m2 se navzájem přitahují gravitačními silami Fg, jejichž velikost je přímo úměrná druhé mocnině jejich vzdálenosti r. gravitační konstanta  = 6,67 . 10–11 Nm2kg–2.

FYZIKÁLNÍ ZÁKONY, KTERÝMI SE ŘÍDÍ SLUNEČNÍ SOUSTAVA KOSMICKÉ RYCHLOSTI 1. kosmická rychlost (kruhová) vk = 7,9 kms–1. těleso se pohybuje po kruhové trajektorii kolem Země, Při větších rychlostech těleso přechází na pohyb kolem Země po elipse, až do vp. 2. kosmická rychlost (parabolická /úniková) vp = 11,2 km  s–1 Eliptická trajektorie se mění na parabolickou a těleso se trvale vzdaluje od Země (je však v gravitačním poli Slunce)  3. kosmická rychlost v = 16,7 km  s–1 Po překročení této rychlosti, těleso opouští sluneční soustavu. Pro lety ve vesmíru se využívá zákonu setrvačnosti a gravitace. Motory se používají jen při startu, brzdění a korekcích kurzu. Jinak družice letí setrvačností a pro zrychlení využívají gravitace planet → gravitační praky.

MĚŘENÍ VZDÁLENOSTI Astronomická jednotka – střední vzdálenost Země od Slunce 1AU = 150.106 km = 8 min 19 světelných s   Světelný rok – vzdálenost, kterou světlo urazí za jeden rok. 1ly = 63 240 AU = 9 460 106 km Roční paralaxa – úhel, pod kterým bychom z hvězdy viděli poloměr trajektorie Země, postavený kolmo na směr paprsků (poprvé použito v letech 1830 – 1840) [п] = pc (parsek) paralaxa a sekunda 1´´=1 pc = 3,09.1013 km = 2,06.105 AU = 3,26 ly Čím je hvězda blíže k Zemi, tím je její paralaxa větší. Největší známou paralaxu má hvězda Proxima Centauri - asi 0,772´´ = 1,3 pc.

ZÁKLADNÍ POJMY Rotace planet Planety se otáčejí kolem své osy. Většina – ve směru oběhu kolem Slunce. Venuše – opačně. Uran – má osu v oběžné rovině - valí se. Ekliptika – zdánlivá dráha Slunce na obloze Rovina ekliptiky je rovina, ve které obíhá Země kolem Slunce. Hmotná tělesa obíhají po elipsách, čili v rovině. Tato rovina se s časem téměř nemění, a proto je vhodná pro definování soustavy souřadnic (ekliptikální souřadnice). Nebeský rovník je vůči rovině ekliptiky skloněný o 23,5°

ZÁKLADNÍ POJMY Sluneční den (Opakuje se poledne.) je doba mezi dvěma průchody Slunce místním poledníkem (jihem), je 4 minuty delší než Hvězdný den (23 hod. 56 min.) je dobou, za kterou se Země otočí o 360o okolo své osy (vzhledem k hvězdám). Rozdíl je dán tím, že během dne se Země pohne o cca. 2,5 milionu km na své oběžné dráze okolo Slunce, takže opětovné "přiklonění" ke Slunci trvá o něco déle než je vlastní 1 otáčka. Rozdíl se nasčítá během roku na přesně jeden den. Země tedy vykoná ročně 365 otáček vůči Slunci a 366 vůči hvězdám (365 vzhledem ke Slunci + 1 oběh). Proto se Sluneční a hvězdný čas sejdou pouze jednou za rok. Obr.: 9

ZÁKLADNÍ POJMY Hvězdná obloha Myšlená kulová plocha o velkém poloměru, na kterou se promítají obrazy vzdálených hvězd. Bod na obloze je směrem… Vzdálenost dvou bodů měříme ve stupních. Hvězdná obloha se zdánlivě otáčí kolem světových pólů – bodů, ve kterých hvězdnou oblohu protíná osa zemské rotace. Na severu míří přibližně k Polárce   Souhvězdí = oblast na obloze s přesně vymezenými hranicemi. Dvě hvězdy z jednoho souhvězdí nemusí být blízko sebe. hvězda A Země α hvězda B

ZÁKLADNÍ POJMY Zvěrokruh – zvířetník – zodiak Když Země obíhá okolo Slunce, promítá se obraz Slunce do různých míst hvězdné oblohy I přes jejich souhrnný název neplatí, že by měl mít pouze zvířecí názvy .   Souhvězdí zvířetníku 13 je třeba odlišovat od znamení zvířetníku 12 Původně se souhvězdí se znameními kryla, ale vlivem precese se značně vzdálila. Do znamení zvířetníku nepatří Hadonoš, který ve zvířetníku leží. Obr.: 10

ZÁKLADNÍ POJMY Vstupy Slunce do zvířetníkových souhvězdí: Beran 18.4. Býk 13.5. Blíženci 21.6. Rak 20.7. Lev 10.8. Panna 19.6. Váhy 30.10. Štír 22. 11. Hadonoš 29.11. Střelec 18.12. Kozoroh 19 . 1. Vodnář 16. 2. Ryby 11.3. Obr.:

Použitá literatura Literatura MACHÁČEK, M.: Fyzika pro gymnázia – Astrofyzika. Prometheus, Praha 1998 ISBN 80-7196-091-8 LEPIL, O. a kol.,: Fyzika – sbírka úloh pro střední školy. Prometheus, Praha 2010 ISBN 978-80-7196-266-3 http://planety.astro.cz/soustava/1861-planety-slunecni-soustavy Obrázky: [1] [Souhvězdí a znamení. In: [online]. [cit. 2013-03-04]. Dostupné z: http://www.orloj.eu/img/kalendarium/souhvezdi/obr.2_Ptolemaios.jpg [2] [Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-03-04]. Dostupné z: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3a/Ptolemaicsystem-small.png/250px-Ptolemaicsystem-small.png [3] Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-03-04]. Dostupné z: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f2/Nikolaus_Kopernikus.jpg/180px-Nikolaus_Kopernikus.jpg [4] [online]. [cit. 2013-03-04]. Dostupné z: http://galaxie.web2001.cz/astronomie/obrazky/heliocentr.gif [5] [online]. [cit. 2013-03-04]. Dostupné z: http://i.lidovky.cz/10/021/lngal/PKS30f0c2_TychoBrahe.jpg [6] Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-03-07]. Dostupné z: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/85/Galileo_by_leoni.jpg [7] Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-03-07]. Dostupné z: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/87/Galileo.script.arp.600pix.jpg.jpg GGG [8] Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-03-07]. Dostupné z: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d4/Johannes_Kepler_1610.jpg [9] [online]. [cit. 2013-03-07]. Dostupné z: http://planety.astro.cz/obr/planety/zeme/zemeaslunce01.jpg [10] Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-03-07]. Dostupné z: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8c/Ecliptic_with_earth_and_sun_animation.gif/800px-Ecliptic_with_earth_and_sun_animation.gif