Temat

Gwiazdy i ich ewolucja

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

XII. Elementy fizyki relatywistycznej i fizyka jądrowa. Uczeń:

18) opisuje elementy ewolucji gwiazd; omawia supernowe i czarne dziury.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Opisywanie etapów ewolucji gwiazd.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Wyjaśnianie kryteriów klasyfikacji gwiazd.

2. Omawianie supernowych i czarnych dziur.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- wyjaśnia, w jaki sposób klasyfikowane są gwiazdy,

- opisuje różne rodzaje gwiazd.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Analiza tekstu.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Uczniowie prezentują swoją wiedzę o gwiazdach.

Czym jest gwiazda? Czym jest galaktyka?

Realizacja lekcji

Nauczyciel wprowadza klasyfikację gwiazd.

Klasyfikacja gwiazd:
Klasyfikacja gwiazd opiera się na widmach gwiazd. Widmo gwiazdowe charakteryzuje się trzema podstawowymi parametrami:

- temperatura,
- ciśnienie gazu,
- skład chemiczny.

W systemie Morgana‑Keenana (MK) istnieje siedem głównych typów widmowych gwiazd uporządkowanych według malejącej temperatury: O, B, A, F, G, K i M. Każdy typ ma podklasy od 0 do 9 (od najgorętszej do najchłodniejszej danego rodzaju, np. B4, G7). Kolor gwiazdy zależy od jej temperatury powierzchni.

[Tabela 1]

[Ilustracja 1]

Dodatkowym parametrem stosowanym w klasyfikacji jest jasność gwiazdy (Klasa jasności Yerkes).

Definicja:

Jasność opisuje blask gwiazdy (lub galaktyki). Jasność to całkowita ilość energii, którą gwiazda emituje w każdej sekundzie (w całym zakresie długości fal promieniowania elektromagnetycznego).

Na jasność gwiazd wpływa nie tylko ich temperatura, ale zależy ona również od wielkości gwiazdy. Gwiazdy o największej jasności to te, które są gorące i duże. Dla grupy gwiazd o tej samej temperaturze, klasa jasności rozróżnia ich rozmiary (naolbrzymy, olbrzymy, gwiazdy głównego ciągu i podkarły).

[Tabela 2]

Diagram Hertzsprunga‑Russella:
Związek między średnią temperaturą powierzchni gwiazd (typem widmowym) a ich absolutną jasnością przedstawiono na diagramie Hertzsprunga‑Russella (diagram H‑R). Jasność absolutna gwiazd mówi o tym, jak byłyby jasne, gdyby znajdowały się w tej samej odległości, równej 10 parseków.

[Ilustracja 2]

Gwiazdy ciągu głównego:
Gwiazdy ciągu głównego to centralne pasmo gwiazd na diagramie H‑R. Są to zazwyczaj młode gwiazdy. Ich energia pochodzi z fuzji jądrowej (przemiany wodoru w hel). Około 90% gwiazd należy do gwiazd głównego ciągu.

Słońce to gwiazda typu G2V - żółty karzeł.

Karły:
Karły są stosunkowo małymi gwiazdami. Ich rozmiar może być nawet 20 razy większy niż rozmiar Słońca a jasność do 20000 razy większa.

Żółte karły są małymi gwiazdami typu widmowego G, o masie pomiędzy 0,7 i 1 masy Słońca i temperaturze powierzchni około 6000°C. Są jasnożółte lub prawie białe. Żółte karły to około 10% gwiazd w Drodze Mlecznej.

Czerwone karły to małe, chłodne, bardzo blade gwiazdy ciągu głównego. Ich temperatura powierzchni wynosi poniżej 4000 K. Czerwone karły są najbardziej rozpowszechnionym rodzajem gwiazdy.

Olbrzymy i nadolbrzymy:

Do olbrzymów i nadolbrzymów należą głównie duże stare gwiazdy.

Czerwone olbrzymy:
Czerwony olbrzym to stara gwiazda o średnicy około 100 razy większej niż na początku. Jego temperatura powierzchni wynosi poniżej 6500 K.

Niebieskie olbrzymy:
Niebieski olbrzym to ogromna, bardzo gorąca, niebieska gwiazda.

Nadolbrzymy:
Nadolbrzymy są największymi znanymi gwiazdami. Niektóre z nich są tak duże, jak cały nasz Układ Słoneczny. Mają ekstremalne masy, a zatem stosunkowo krótki czas życia zaledwie od 10 do 50 milionów lat.

Martwe gwiazdy:

Białe karły:
Białe karły to małe, bardzo gęste, gorące gwiazdy. Są pozostałościami czerwonych olbrzymów. Ich rozmiar jest porównywalny z rozmiarem Ziemi, ale te gwiazdy są znacznie gęstsze.

Gwiazda neutronowa:
Gwiazda neutronowa to bardzo mała, bardzo gęsta gwiazda. Składa się głównie z neutronów i ma cienką atmosferę składającą się z wodoru. Ma średnicę około 5‑15 km.

Pulsar:
Pulsar jest szybko wirującą gwiazdą neutronową. Jego promieniowanie można zaobserwować tylko wtedy, gdy wiązka promieniowania jest skierowana w stronę Ziemi.

Czarne dziury:
Czarna dziura jest częścią przestrzeni, w której duża ilość materii jest upakowana w bardzo małym obszarze. Pole grawitacyjne czarnych dziur jest tak silne, że nic, żadne cząstki i żadne promieniowanie elektromagnetyczne nie może uciec z wnętrza.

Ewolucja gwiazd:
Promieniowanie emitowane przez gwiazdy jest wynikiem reakcji termojądrowych zachodzących głęboko w ich jądrach. W tych reakcjach lekkie pierwiastki zamieniają się w cięższe i uwalniana jest ogromna ilość energii. Ciśnienie występujące wewnątrz gwiazdy wynikające z przepływu energii z jądra do zewnętrznych części gwiazdy jest wystarczające, aby zapobiec jej zapadnięciu się pod własnym ciężarem. Kiedy reakcje jądrowe zwalniają z powodu braku pierwiastków, gwiazda zaczyna się zapadać. Umierająca gwiazda rozszerza się w fazie olbrzymiej lub nadolbrzymiej. Gwiazda ostatecznie eksploduje i staje się mgławicą planetarną lub supernową. W końcu zamienia się w białego karła, gwiazdę neutronową lub zostaje czarną dziurą. Ostateczny los gwiazdy zależy od jej masy początkowej.

[Grafika interaktywna]

Podsumowanie lekcji

Klasyfikacja gwiazd opiera się na widmach gwiazd. Związek między średnią temperaturą powierzchni gwiazd a ich absolutną jasnością przedstawiono na diagramie Hertzsprunga‑Russella. Wszystkie gwiazdy przechodzą ewolucję.