Czy mimo niedoskonałości naszych zmysłów ludzkość jest w stanie wejrzeć w głąb Wszechświata? Czy umiemy określić miejsce Układu Słonecznego w Galaktyce, a Galaktyki – we Wszechświecie? Jeśli chcesz wiedzieć więcej, czytaj dalej…

Większość naszej wiedzy o Wszechświecie i kosmosie zgromadziliśmy, nie opuszczając naszej planety. Jednak już nawet obserwacje z Ziemi i jej orbity przyniosły fascynujące odkrycie i piękne obrazy. Na zdjęciu powyżej jedno z najbardziej niesamowitych ujęć kosmosu: Mgławica Koński Łeb sfotografowana powtórnie z okazji 23. rocznicy umieszczenia teleskopu na orbicie.
Już wiesz
  • odnajdować na niebie planety i Księżyc;

  • wymienić nazwy powszechnie znanych planet.

Nauczysz się
  • opisywać budowę Galaktyki i miejsce Układu Słonecznego w Galaktyce;

  • wymieniać najważniejsze obiekty w Galaktyce – gwiazdy, gromady gwiazd, mgławice gazowe – i rozpoznawać je na fotografiach.

1. Układ Słoneczny

Popatrzmy na Wszechświat z jego wnętrza. Jeśli będziemy używać tylko oczu, zbyt wiele nie zobaczymy, ale przecież mamy do dyspozycji potężne narzędzia – teleskopy o średnicach kilkunastu metrów umieszczone na Ziemi oraz teleskopy umieszczone w Kosmosie (mówiliśmy o nich w poprzednim rozdziale) – dają nam one ogromnie ilości informacji. Teraz tylko zasygnalizujemy, jakie obiekty występują w Kosmosie. Gdybyśmy chcieli dokładnie wszystko opisać, ten podręcznik musiałby mieć tysiące stron, a i tak mogłoby się okazać, że część informacji jest już nieaktualna, bo jakiś instytut naukowy właśnie ogłosił wyniki analizy materiału przesłanego z sondy kosmicznej. Prawdziwą kopalnią wiedzy o Wszechświecie będzie dla was internet, ale napotkacie tam także sporo informacji już nieaktualnych, a nawet nieprawdziwych. Powinniście się także nauczyć rozróżniać hipotezy od faktów naukowych.
Żyjemy zatem w Kosmosie. Razem z innymi planetami krążymy wokół Słońca. Dla nas to ogromna kula gorącego gazu o średnicy ok. 1 milion 400 tys. kilometrów. Średnica tej gwiazdy jest 109 razy większa od średnicy Ziemi. Nie będziemy tu podawać dokładnych rozmiarów lub mas obiektów; będziem je odnosić właśnie do rozmiarów lub masy Ziemi bądź Słońca. Gdyby Ziemia była kulką o średnicy 1 cm, to średnica Słońca wynosiłaby 109 cm.

Cztery powyższe zdjęcia przedstawiają Słońce widoczne w różnych obszarach widma fal elektromagnetycznych. Z następnej części tego podręcznika dowiecie się, dlaczego Słońce ma tak różny wygląd. Ale już teraz widzicie, że Słońce niekoniecznie jest spokojnie świecącą tarczą, jaką widzimy, kiedy się opalamy na plaży. Informacje o plamach słonecznych, rozbłyskach chromosferycznych, protuberancjach i innych zjawiskach na powierzchni Słońca znajdziecie w internecie.
Wokół Słońca krąży 8 planet. Od czasów starożytnych znano: Merkurego, Wenus, Marsa, Jowisza i Saturna. Uran został odkryty przez Wiliama Herschela w 1781 r.

Jak wyglądają najważniejsze obiekty Układu Słonecznego (z wyjątkiem Ziemi, o ktorej uczycie się na lekcjach geografii)?

2. Galaktyka, czyli Droga Mleczna

Kiedy patrzymy na niebo podczas bezksiężycowej nocy, bez trudu możemy dostrzec jasną smugę przecinającą całe niebo. To nasza Galaktyka – Droga Mleczna. Tak ją nazwali starożytni, a ponieważ podobnych tworów są we Wszechświecie miliardy, to jej nazwę piszemy zawsze wielką literą. Czym jest Galaktyka?

2.1. Rodzaje galaktyk

Przez tysiące lat Galaktyka traktowana była jako obłok, ale już w starożytnej Grecji pojawiały się poglądy, że jest to zbiorowisko gwiazd położonych bardzo blisko siebie.
Już w starożytności zaobserwowano na niebie inne obiekty podobne do Galaktyki. Nazwali je mgławicami. W średniowieczu znano mgławicę w gwiazdozbiorze Andromedy, w połowie XVII wieku Huygens odkrył mgławicę w Orionie. Gdański astronom Heweliusz zarejestrował 14 mgławic. Dalsze badania nieba, rozwijające się zwłaszcza po zastosowaniu fotografii, zaowocowały zdjęciami tysięcy galaktyk.
Okazało się, że obiekty zwane wcześniej mgławicami mają bardzo różną budowę. Niektóre z nich są obłokami gazu znajdującymi się w naszej Galaktyce (mgławica Oriona), inne są prawdziwymi galaktykami, czyli zbiorowiskami gwiazd, leżącymi dalej niż jakakolwiek gwiazda Drogi Mlecznej.

Badacze stopniowo dochodzili do wniosku, że galaktyki mogą mieć różną budowę i kształty. Ogólna charakterystykazawiera trzy główne rodzaje galaktyk: nieregularne, eliptyczne i spiralne (tych ostatnich jest najwięcej, bo ok. 80%). Istotną podgrupą są galaktyki spiralne z poprzeczką.

2.2. Jak wygląda nasza Galaktyka?

Patrząc na te piękne zdjęcia, można zapytać: a jak wygląda nasza Galaktyka? Widzimy ją na niebie w postaci pasa gwiazd rozdzielającego się na kilka ramion. Problem polega na tym, że jesteśmy wewnątrz niej. Czy możemy zobaczyć, jak wygląda las, kiedy jesteśmy wewnątrz niego? Najbliższe drzewa zasłaniają nam widok i nie wiemy, czy za 100 m zobaczymy polanę, koniec lasu czy też może ściezkę.
Takie problemy powodowały, że przez dziesiątki lat poznaliśmy budowę galaktyk odległych o 2 mln lat świetlnych (np. galaktyki w gwiazdozbiorze Andromedy) czy nawet miliardy lat świetlnych. Zależy to od ustawienia danej galaktyki – galaktyki spiralne są na ogół w kształcie dysku, tj. są grubsze w środku, a cieńsze bliżej brzegów. Jeżeli patrzymy w kierunku prostopadłym do powierzchni dysku, to widzimy jego dokładny kształt i strukturę. Jeżeli patrzymy w płaszczyźnie równika galaktyki, widzimy przekrój dysku – grube jądro galaktyki i cienkie brzegi. Galaktyka Andromedy widoczna jest jest dla obserwatora z Ziemi ukośnie, pod kątem ok. 77° do osi jej dysku. Mimo że znaliśmy budowę innych galaktyk, nie znaliśmy buowy naszaj. Ale niedługo się dowiecie, że różne gazy różnie promieniują. Ponadto tam, gdzie gazu jest więcej, promieniowanie staje się bardziej intensywne. Analiza tego promieniowania, obejmująca różne długości fal elektromagnetycznych, doprowadziła do wniosku, że nasza Galaktyka jest galaktyką spiralną z poprzeczką.

2.3. Nasze miejsce w Galaktyce

Poniższe zdjęcie przedstawia centralne części Galaktyki, sfotografowane w podczerwieni przez teleskop Spitzera. W świetle widzialnym nie zobaczymy tych obszarów, ponieważ w płaszczyźnie równika Galaktyki znajduje się dużo gazu i pyłu, które zasłaniają dalszą przestrzeń.

Centralne obszary Galaktyki sfotografowane w podczerwieni

Dysk naszej Galaktyki ma średnicę ok. 120 000 i grubość ok. 2–3 tys. lat świetlnych. Liczba gwiazd w Galaktyce szacowana jest na 200–300 mld. Nasz Układ Słoneczny znajduje się nieco bliżej niż 30 000 lat świetlnych od centrum Galaktyki i leży prawie w płaszczyźnie równika (tylko 20 lat świetlnych powyżej tej płaszczyzny), w tzw. ramieniu Oriona. Oczywiście, podobnie jak pozostałe gwiazdy Galaktyki, Słońce i planety Układu Słonecznego obiegają centrum. Prędkość Słońca na tej orbicie wynosi ok. 270kms, co daje okres obiegu wokół centrum galaktyki trwający ponad 200 mln lat.

Położenie Słońca (żółta kropka) w Galaktyce. Szary obszar to miejsce, którego nie możemy zobaczyć

2.4. Co wchodzi w skład naszej Galaktyki?

W skład Galaktyki wchodzą nie tylko gwiazdy, lecz także obiekty takie jak:

  • mgławice gazowe i pyłowe;

  • gromady otwarte i kuliste gwiazd;

  • supermasywna czarna dziura w centrum.

Na gromady otwarte gwiazd składają się gwiazdy stosunkowo młode. Wynika to z tego, że gwiazdy powstające w gromadzie stopniowo się rozpraszają i po kilkuset milionach lat już nie tworzą struktury odróżniającej się od otoczenia.
Z kolei w gromadach kulistych znajduja się stare gwiazdy. Gromad kulistych znamy w tej chwili ok. 200. Rozmieszczone są one w dość jednorodny sposób wokół centrum Galaktyki. Istnieją przypuszczenia, że przynajmniej niektóre gromady kuliste stanowią pozostałość po małych galaktykach wchłoniętych przez naszą.

Najjaśniejsza gromada kulista na niebie znajduje się w gwiazdozbiorze Centaura. Zawiera około 10 mln gwiazd, odległość wynosi 17 tys. lat świetlnych, wiek gwiazd w gromadzie ocenia się na 12 miliardów lat.

Kiedy oglądamy kolorowe zdjęcia mgławic, gromad gwiazd lub galaktyk, warto pamiętać, że takiego obrazu nie zobaczymy nawet za pomocą najpotężniejszych teleskopów. Takie zdjęcia wykonywane są często przez filtry, aby pokazać rozmieszczenie np. wodoru lub innych gazów. Obszarom o różnych temperaturach nadaje się również różne barwy – najchłodniejsze są często czerwone, nieco bardziej gorące – żółte, a najbardziej gorące – niebieskie. Nie jest to jednak regułą.

3. Gwiazdy

Gwiazdy widzisz na niebie jako świecące punkty. Wiesz już, że są one położone w różnych odległościach od Ziemi, ale ponieważ nie widzimy tych różnic, mamy wrażenie, że gwiazdy są rozmieszczone na powierzchni sfery. Jedne gwiazdy świecą mocniej, inne – słabiej. Wiemy już, że jasność gwiazdy widocznej na niebie określa się za pomoca skali wielkości gwiazdowych. Gwiazda, nawet największa, ale obserwowana z dużej odległości, będzie świeciła słabo. Czym jednak różnią się gwiazdy między sobą? Z następnej części podręcznika dowiesz się, że ilość energii wysyłanej przez gwiazdę zależy od jej temperatury i powierzchni (czyli od promienia danej gwiazdy). Pomiar kąta paralaksy rocznej umożliwia wyznaczenie odległości gwiazdy od Ziemi. Prawa fizyki odkryte pod koniec XIX i na początku XX wieku pozwoliły obliczyć temperaturę powierzchni gwiazdy i długość jej promienia. Jakie zatem są gwiazdy?
Większość gwiazd jest podobna do naszego Słońca. Oczywiście różnia się one masą, długością średnicy oraz ilością wysyłanej energii. Nazywane są gwiazdami ciągu głównego. Najwięcej energii wysyłają gwiazdy o masie nawet 100 razy większej niż masa naszego Słońca i średnicy do 15 razy większej niż średnica Słońca. Na ich powierzchni panuje temperatura przekraczająca 25 tys. K. Te ciała niebieskie wysyłają kilkaset tysięcy razy więcej energii niż Słońce. Nasza gwiazda, której masę i średnicę przyjmujemy tutaj za jednostkę, ma temperaturę ok. 6000 K. Ale do tej grupy należą także takie gwiazdy, których masa jest mniejsza niż masa Słońca – nawet do 10 razy. Tyle samo razy mniejsza jest ich średnica, a temperatura na ich powierzchni jest niższa od temperatury powierzchni Słońca – wynosi nawet poniżej 3000 K. Powoduje to, że wysyłają one ponad 1000 razy mniej energii niż Słońce. O tym, dlaczego takich gwiazd jest najwięcej oraz jakie zjawiska zachodzą w ich wnętrzach, dowiesz się z ostatnich lekcji w naszym podręczniku.

Odkryto, że istnieją także gwiazdy różniące się znacznie od gwiazd ciągu głównego. Jedne z nich mają temperaturę zbliżoną do temperatury Słońca, ale wysyłają nawet milion razy więcej energii. Nazywamy je nadolbrzymami – ich średnice są od kilkuset do tysiąca razey większe niż średnica Słońca, która wynosi ok. 1 400 000 km. 1000 średnic Słońca to 1,4 mld km. Średnia odległość od Ziemi od Słońca to 150 mln km. Odległość od Jowisza do Słońca to 780 mln km. Gdyby zatem taka gwiazda znalazła się na miejscu naszego Słońca, to wszystkie 4 planety wewnętrzne znalazłyby się w jej wnętrzu, a Jowisz krążyłby bardzo blisko jej powierzchni. Mniejsze od nadolbrzymów są gwiazdy zwane olbrzymami – ich średnice są od kilkudziesięciu do stu razy większe od średnicy Słońca.

Ostatnią grupą gwiazd, o której wspomnimy w tej lekcji, są białe karły. Ich temperatura jest kilka razy wyższa od temperatury Słońca. Białe karły wysyłają jednak znacznie mniej energii, zatem wniosek jest oczywisty – mają niewielkie rozmiary. Są mniej więcej tak duże jak Ziemia, co oznacza, że ich średnice są ok. 100 razy mniejsze od średnicy Słońca.
Niektórzy z was na pewno słyszeli, że istnieją również obiekty takie jak gwiazdy neutronoweczarne dziury. O tych obiektach będziemy mówili na lekcjach poświęconych ewolucji gwiazd.

Podsumowanie

  • Układ Słoneczny to Słońce i 8 planet krążących wokół niego. Oprócz tych planet do Układu Słonecznego należą ich księżyce, różnej wielkości planetoidy oraz tzw. planety karłowate. Wokół Słońca po bardzo wydłużonych orbitach krążą także komety.

  • Słońce i inne ciała krążące wokół niego są częścią Galaktyki widocznej na niebie jako Droga Mleczna. Nasza Galaktyka zawiera od 200 do 300 miliardów gwiazd. Jest to jedna z większych galaktyk we Wszechświecie – ma średnice równą ok. 120 tys. lat świetlnych.

  • Nasz Układ Słoneczny znajduje się nieco bliżej niż 30 000 lat świetlnych od centrum Galaktyki i leży prawie w płaszczyźnie równika, w tzw. ramieniu Oriona. Oczywiście, podobnie jak pozostałe gwiazdy Galaktyki, Słońce i planety Układu Słonecznego obiegają centrum Galaktyki. Prędkość Słońca na tej orbicie wynosi ok. 270 km/s, co daje okres obiegu wokół centrum wynoszący ponad 200 mln lat.

  • W Galaktyce znajdują się bardzo różne gwiazdy. Najwięcej jest gwiazd podobnych do Słońca – mają one średnicę do kilkunastu razy większą niż średnica Słońca. Znacznie mniej jest gwiazd dużo większych, mających ok. 100 razy większą średnicę niż średnica Słońca (olbrzymy), i mające średnicę ok. 1000 razy większą niż średnica Słońca (nadolbrzymy). Najmniejsze gwiazdy to białe karły, które mają wyższą temperaturę niż temperatura naszego Słońca, ale ich średnica jest mniej więcej taka sama jak średnica Ziemi.

Praca domowa
Polecenie 1.1

Wyszukaj w internecie informacje dotyczące poszczególnych planet Układu Słonecznego: ich masy, średnice, odległości od Słońca.

  1. Oblicz, ile czasu potrzebuje światło słoneczne, aby dotrzeć do poszczególnych planet Układu Słonecznego.

  2. Po jakich planetach kosmonauci w przyszłości mogliby spacerować, a po których nie byłoby to możliwe?

Polecenie 1.2

Wyszukaj w internecie informacje dotyczące komet, planet karłowatych, pasa planetoid, pasa Kuipera i obłoku Oorta.

Słowniczek

biały karzeł

– obiekt astronomiczny o rozmiarach porównywalnych z rozmiarami Ziemi, charakteryzujący się ogromną gęstością masy; emituje promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie fal widzialnych, jest końcowym etapem ewolucji gwiazd takich jak Słońce.

ciąg główny

– obszar (pas) ciągnący wzdłuż przekątnej diagramu Hertzsprunga‑Russela (wykres klasyfikujący gwiazdy z uwagi na jasność gwiazdy oraz typ widmowy); w ciągu głównym skupia się większość gwiazd (w tym Słońce).

czarna dziura

– obiekt astronomiczny wytwarzający tak silne pole grawitacyjne, że nie może go opuścić nawet światło; wszystkie ciała, które za bardzo zbliżą się do czarnej dziury, zostaną przez nią pochłonięte. Masa czarnej dziury we wnętrzu naszej Galaktyki jest ok. 4 mln razy większa niż masa Słońca.

gwiazda neutronowa

– gwiazda zbudowana głównie z neutronów; powstaje w wyniku gwałtownego zapadnięcia się jądra gwiazdy o dużej masie, w wyniku czego protony łączą sie z elektronami. Gwiazdy neutronowe charakteryzują się niezwykle wysoką gęstością – gwiazda o promieniu mniejszym niż 10 km może mieć masę nawet do 2,5 razy większą niż masa Słońca. Gwiazdy neutronowe bardzo szybko wirują – jeden obrót trwa ułamek sekundy. Hipoteza o istnieniu takich gwiazd powstała w latach 30. XX wieku, ale dopiero odkrycie tzw. pulsarów (1967 r.) potwierdziło, że takie obiekty rzeczywiście istnieją.

hipoteza

– naukowe przypuszczenie, które wymaga potwierdzenia lub zaprzeczenia; w fizyce hipotezy wymagają potwierdzenia doświadczalnego.

nadolbrzymy

– gwiazdy o masach 10–50 razy większych od masy Słońca i rozmiarach średnicy większych nawet 1500 razy od średnicy Słońca; typ widmowy nadolbrzymów może mieścić się w zakresie od typu O (nadolbrzym błękitny) do typu M (nadolbrzym czerwony).