Popatrzmy na Wszechświat z jego wnętrza. Jeśli będziemy używać tylko oczu, nie zobaczymy zbyt wiele, ale przecież mamy do dyspozycji potężne narzędzia – kilkunastometrowe teleskopy  umieszczone na Ziemi oraz teleskopy umieszczone w Kosmosie, które dają nam ogromnie ilości informacji. Teraz tylko zasygnalizujemy, jakie obiekty występują w Kosmosie – żeby 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.

Czy mimo niedoskonałości naszych zmysłów ludzkość jest w stanie wejrzeć w głąb Wszechświata? Czy umiemy określić miejsce Układu Słonecznego w naszej Galaktyce – Drodze Mlecznej, a Drogi Mlecznej – we Wszechświecie?

R9KpZbe4V0vjI
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. Powyższe zdjęcie przedstawia Mgławicę Koński Łeb sfotografowaną w zakresie podczerwieni z okazji 23. rocznicy umieszczenia Kosmicznego Teleskopu Hubble'a na orbicie
Źródło: Hubble ESA. Flickr, dostępny w internecie: https://www.flickr.com/photos/hubble_esa/8671816110/sizes/o/, domena publiczna.
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
  • jak odnajdywać na niebie planety i Księżyc,

  • nazwy powszechnie znanych planet.

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

  • wymieniać najważniejsze obiekty w Galaktyce i rozpoznawać je na fotografiach.

Układ Słoneczny

Żyjemy w Kosmosie. Razem z innymi planetami krążymy wokół Słońca – ogromnej kuli gorącego gazu o średnicy ok. 1 milion 400 tys. kilometrów, zatem 109 razy większej od średnicy Ziemi. Nie będziemy tu podawać dokładnych rozmiarów lub mas obiektów, ale będziemy je odnosić właśnie do rozmiarów lub masy Ziemi bądź Słońca. Gdyby Ziemia była kulką o średnicy 1 cm, to średnica Słońca wynosiłaby 109 cm.

Powyższe zdjęcia przedstawiają Słońce widoczne w różnych obszarach widma fal elektromagnetycznych, które pokazują, 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 możecie znaleźć 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., a Neptun przez Urbaina Le VerrieraJohanna Gallego1846 r.

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

Kiedy patrzymy na niebo podczas bezksiężycowej nocy i z dala od świateł miast, 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.

Galaktyka, czyli Droga Mleczna

RpzPSEHLJcrgM
Droga Mleczna widoczna na nocnym niebie nad latarnią morską 
Źródło: Ave Calvar Martinez, dostępny w internecie: https://www.pexels.com, domena publiczna.

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 wtedy zaobserwowano na niebie także inne rozmyte obiekty podobne do Galaktyki, które nazwano mgławicami. W średniowieczu znano mgławicę w gwiazdozbiorze Andromedy, na początku XVII wieku francuski astronom Nicolas–Claude Fabri de Peiresc odkrył mgławicę w Orionie, a w kolejnych latach różni astronomowie odkryli kilkadziesiąt kolejnych obiektów mgławicowych. Na początku XIX wieku William Herschel opublikował katalogi ponad dwóch tysięcy mgławic i gromad gwiazd, które opracował wraz ze swoją siostrą Caroline. 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 (jak np. 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 charakterystyka dzieli galaktyki trzy główne rodzaje galaktyk: nieregularne, eliptyczne i spiralne (tych ostatnich jest najwięcej, bo ok. 80%). Istotną podgrupą są galaktyki spiralne z poprzeczką. Dodatkowo występuje typ pośredni między galaktykami spiralnymi i eliptycznymi – galaktyki soczewkowate.

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 ścieżkę.

Takie problemy powodowały, iż mimo że przez dziesiątki lat dowiedzieliśmy się jak zbudowane są galaktyki odległe o miliony czy nawet miliardy lat świetlnych, nie znaliśmy budowy naszej. Ale niedługo się dowiecie, że różne gazy różnie promieniują, a tam, gdzie tego gazu jest więcej, promieniowanie staje się bardziej intensywne. Jego analiza obejmująca różne długości fal elektromagnetycznych doprowadziła do wniosku, że Droga Mleczna jest galaktyką spiralną z poprzeczką.

Nasze miejsce w Drodze Mlecznej

Poniższe zdjęcie przedstawia centralne części Drogi Mlecznej 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 dalej położone rejony.

RBlrVtKgYgnmi
Centralne obszary Drogi Mlecznej sfotografowane w podczerwieni
Źródło: WikiImages, dostępny w internecie: https://www.pixabay.com, domena publiczna.

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

R5SMC2H5wSO46
Położenie Słońca (żółta kropka) w Galaktyce. Szary obszar to miejsce, którego nie możemy zobaczyć
Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.

Co wchodzi w skład naszej Galaktyki?

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

  • mgławice dyfuzyjne, które można podzielić na emisyjne, refleksyjne, ciemne, oraz mgławice planetarne,

  • gromady otwarte i kuliste gwiazd,

  • supermasywna czarna dziuraczarna dziuraczarna dziura w centrum.

Mgławice dyfuzyjne to chmury złożone z gazu i pyłu, które nie mają dobrze określonych granic w przestrzeni. Można podzielić je na mgławice emisyjne, refleksyjne oraz ciemne. Te pierwsze – mgławice emisyjne – składają się z gazu pobudzonego do świecenia przez promieniowanie ultrafioletowe pochodzące z pobliskich, najczęściej młodych i gorących gwiazd. Mgławice refleksyjne powstają, gdy promieniowanie pobliskich gwiazd jest za słabe, by zjonizować gaz, ale wystarczające, by drobny pył w mgławicy został uwidoczniony przez jego rozproszenie. Ciemne mgławice z kolei to chmury gazu i pyłu całkowicie pochłaniające światło gwiazd, przez co na niebie wyglądają jak rejony pozbawione gwiazd. Wiele z nich jest miejscem, gdzie zachodzi początkowe stadium formowania się gwiazd.

Odmiennym rodzajem mgławic są mgławice planetarne – są one ostatnim stadium ewolucji gwiazd podobnych do Słońca. Pod koniec swojego życia odrzucają one swoje zewnętrzne warstwy formując mgławicę, w której centrum znajduje się gorące jądro takiej gwiazdy – biały karzełbiały karzełbiały karzeł. Pobudza on do świecenia odrzucony wcześniej gaz. Powstaje mgławica planetarna, która stale się rozszerza i po kilkunastu tysiącach lat rozmywa się w przestrzeni i przestaje być widoczna.

Gromady otwarte gwiazd składają się z gwiazd stosunkowo młodych. 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. Gromady takie zawierają do kilku tysięcy gwiazd.

W gromadach kulistych z kolei znajdują się stare gwiazdy, a i ich liczebność jest znacznie większa – zwykle zawierają one od stu tysięcy do miliona gwiazd, które są ze sobą mocno powiązane grawitacyjnie. Znamy obecnie ok. 200 gromad kulistych należących do Drogi Mlecznej. Rozmieszczone są one w dość jednorodny sposób wokół centrum tworząc tzw. halo galaktyczne. Istnieją przypuszczenia, że przynajmniej niektóre z tych gromad stanowią pozostałość po małych galaktykach wchłoniętych przez naszą.

Oglądając kolorowe zdjęcia mgławic czy galaktyk warto pamiętać, że takiego obrazu nie zobaczymy nawet za pomocą najpotężniejszych teleskopów. Nasze oczy są o wiele mniej czułe niż aparaty czy kamery, które mogą naświetlać dany obiekt przez bardzo długi czas, czasem wynoszący nawet kilkadziesiąt godzin. Ponadto często takie fotografie wykonywane są z wykorzystaniem odpowiednich filtrów w celu pokazania rozmieszczenia 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.

Gwiazdy

Gwiazdy widoczne są 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, jednak nawet największa gwiazda obserwowana z dużej odległości będzie świeciła słabo. Ilość energii wysyłanej przez gwiazdę zależy od jej temperatury i pola powierzchni, czyli od promienia danej gwiazdy, zaś prawa fizyki odkryte pod koniec XIX i na początku XX wieku pozwoliły obliczyć tę temperaturę i długość jej promienia. Pomiar kąta paralaksy rocznej umożliwia z kolei wyznaczenie odległości gwiazdy od Ziemi.

Większość gwiazd jest podobna do naszego Słońca, choć oczywiście różnią się one masą, średnicą 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 25000 K (kelwinów). 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. Do ciągu głównego należą jednak 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.

Odkryto, że istnieją także gwiazdy różniące się znacznie od gwiazd ciągu głównegociąg głównyciągu głównego. Jedne z nich mają temperaturę zbliżoną do temperatury Słońca, ale wysyłają nawet milion razy więcej energii. Nazywamy je nadolbrzymaminadolbrzymynadolbrzymami – ich średnice są od kilkuset do tysiąca razy większe niż średnica Słońca, która wynosi ok. 1400000 km. Tysiąc średnic Słońca to 1,4 mld km. Średnia odległość Ziemi od Słońca to 150 mln km. Odległość Saturna do Słońca to trochę ponad 1,4 mld km. Gdyby zatem taka gwiazda znalazła się w miejscu naszego Słońca, to wszystkie 4 planety wewnętrzne oraz Jowisz znalazłyby się w jej wnętrzu, a Saturn 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 omawianą grupą gwiazd są białe karłybiały karzełbiałe 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 neutronowegwiazda neutronowagwiazdy neutronoweczarne dziuryczarna dziuraczarne 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 nazywanej Drogą Mleczną. Nasza Galaktyka zawiera od 200 do 300 miliardów gwiazd. Jest to jedna z większych galaktyk w swoim sąsiedztwie – jej średnica wynosi ok. 120 tys. lat świetlnych.

  • Nasz Układ Słoneczny znajduje się nieco bliżej niż 30000 lat świetlnych od centrum Drogi Mlecznej i i leży prawie w płaszczyźnie równika, w tzw. ramieniu Oriona. Podobnie jak pozostałe gwiazdy Galaktyki, Słońce i planety Układu Słonecznego obiegają centrum Drogi Mlecznej. Prędkość Słońca na tej orbicie wynosi ok. 270 kms, co daje okres obiegu wokół centrum wynoszący ponad 200 mln lat.

  • W Drodze Mlecznej 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 zbliżona do średnicy Ziemi.

R3yadwweC06lh1
Ćwiczenie 1
Wyszukaj w Internecie informacji dotyczące poszczególnych planet Układu Słonecznego: ich masy, średnice, odległości od Słońca. Oblicz, ile czasu potrzebuje światło słoneczne, aby dotrzeć do poszczególnych planet Układu Słonecznego.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
R15o8ieK1yyZX1
Ćwiczenie 2
Zastanów się, po których planetach kosmonauci w przyszłości mogliby spacerować, a na których nie byłoby to możliwe. Przeciągnij planetę do odpowiedniej grupy lub wejdź w pole i wybierz odpowiednie elementy grupy z listy rozwijalnej. Planety, po których dałoby się spacerować: Możliwe odpowiedzi: 1. Neptun, 2. Mars, 3. Jowisz, 4. Saturn, 5. Wenus, 6. Merkury, 7. Uran Planety, po których nie dałoby się spacerować: Możliwe odpowiedzi: 1. Neptun, 2. Mars, 3. Jowisz, 4. Saturn, 5. Wenus, 6. Merkury, 7. Uran
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
Polecenie 1

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

Słownik

biały karzeł
biały karzeł

obiekt astronomiczny o rozmiarach porównywalnych z rozmiarami Ziemi, charakteryzujący się ogromną gęstością masy; jest końcowym etapem ewolucji gwiazd takich jak Słońce

ciąg główny
ciąg główny

obszar (pas) ciągnący wzdłuż przekątnej diagramu HertzsprungaRussela (wykresu klasyfikującego gwiazdy z uwagi na jasność gwiazdy oraz typ widmowy); w ciągu głównym skupia się większość gwiazd (w tym Słońce)

czarna dziura
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 ponad 4 mln razy większa niż masa Słońca

gwiazda neutronowa
gwiazda neutronowa

gwiazda zbudowana głównie z neutronów; powstaje w wyniku gwałtownego zapadnięcia się jądra gwiazdy o dużej masie, w wyniku czego protony łączą się z elektronami. Gwiazdy neutronowe charakteryzują się niezwykle wysoką gęstością – taka 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
hipoteza

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

nadolbrzymy
nadolbrzymy

gwiazdy o masach ponad 10–krotnie większych od masy Słońca i promieniach większych nawet 1000 razy od promienia Słońca; na ich powierzchni mogą panować temperatury od ok. 3000 K (w przypadku najchłodniejszych nadolbrzymów), aż do ponad 30000 K (w przypadku tych najgorętszych)