Wszechświat

Cele:
Uczeń:
- zna teorie na temat budowy i powstania wszechświata;
- rozróżnia podstawowe rodzaje galaktyk;
- potrafi na bezchmurnym niebie odnaleźć Drogę Mleczną;
- potrafi wyjaśnić kolejne etapy ewolucji gwiazdy;
- zna podstawowe jednostki służące do pomiaru odległości we wszechświecie.

Treści przedstawiane na lekcji:
Wszechświat prawdopodobnie powstał w wyniku Wielkiego Wybuchu prawie 14 mld lat temu w bliżej nieokreślonym punkcie czasoprzestrzeni, zawierającym całą materię i prawdopodobnie cały czas się rozszerza, czyli przestrzeń jest coraz rzadziej wypełniona materią (gwiazdami, planetami, planetoidami, kometami, różnymi formami energii). Nie wszyscy jednak są przekonani do takiego początku.
Do czasu Mikołaja Kopernika panowało przekonanie, że Ziemia jest nie tylko w centrum Układu Słonecznego, ale także w centrum wszechświata. Ta teoria nosi nazwę geocentrycznej i została wprowadzona już w II wieku przez Klaudiusza Ptolemeusza. Kopernik wprowadził teorię heliocentryczną, umiejscawiając Słońce w centrum Układu Słonecznego. Dziś wiemy, że Słońce wcale nie jest w centrum wszechświata i nawet nie w centrum Galaktyki Drogi Mlecznej.
Nasza galaktyka zawiera ok 400 mld gwiazd, a jej rozmiary sięgają 100 tysięcy lat świetlnych. Do najbliższej innej galaktyki jest aż 2,2 mln lat świetlnych.
Galaktyki mają różny kształt. Takie jak Galaktyka Drogi Mlecznej, noszą nazwę spiralnych, ale są jeszcze eliptyczne i nieregularne.
Według naukowców, we wszechświecie znajduje się 100 mld galaktyk, co daje obraz trudnych do pojęcia przez człowieka, rozmiarów wszechświata.
Dysk galaktyki pomniejszony o 1015 razy, byłby wielkości Polski o grubości kilkudziesięciu kilometrów. Tam należałoby rozmieścić ok. 400 mld modeli gwiazd w postaci pyłków o rozmiarach bakterii. Słońce 0,0014 mm, gwiazdy największe wielkości ziarenek maku. Nasz Układ Słoneczny w tym modelu miałby wielkość 12 mm.
Droga Mleczna (gala – mleko z greckiego) to widziana z Ziemi na niebie jaśniejsza wstęga złożona z gwiazd naszej galaktyki. Ma ona kształt dysku. Jej nazwa pochodzi z legendy: Władca Olimpu Zeus miał syna Heraklesa z córką króla Myken – Alkmene. Swego potomka zapragnął obdarzyć boską siłą. Żeby to osiągnąć podsunął niemowlę do karmienia swojej żonie Herze. Herakles zaczął ssać pierś Hery tak mocno, że bogini odtrąciła niemowlę, a jej mleko rozprysło się po niebie tworząc Drogę Mleczną.
Gwiazdy to kule gazowe o bardzo wysokiej temperaturze. Są różnych rozmiarów.
Początkowo, z pyłu i gazu powstaje protogwiazda. Wzrasta jej ciężar, gęstość i temperatura.
W gwiazdach zachodzą reakcje jądrowe, których rezultatem jest zamiana istniejącego tam wodoru w hel. Ich temperatura waha się wtedy od 3 tys. K do 100 tys. K.
Tracąc paliwo (wodór), gwiazdy zapadają się pod własnym ciężarem i dochodzi wtedy do ogromnego wybuchu. Powstaje supernowa.
Z supernowej może powstać czarna dziura, której masa jest ogromna i wywołuje silne pole grawitacyjne uniemożliwiające wydostanie się z niej światła.
Obecnie najbliższą gwiazdą naszego Układu Słonecznego jest gwiazda Proxima Centauri. Dzieli ją od Ziemi aż 40 bilionów kilometrów. Światło pokonuje tę odległość w cztery lata i dwa miesiące.
Nasze Słońce jest niewielką gwiazdą, której średnica wynosi 1,5 mln km. Niewielkie gwiazdy zamieniają się w czerwonego olbrzyma, a kiedy tracą paliwo, ochładzają się i w efekcie stają się białymi karłami.
Masa Słońca w Układzie Słonecznym jest bliska 99,9 % masy całego układu. Zaledwie 0,1% stanowi masa planet.
Badania wszechświata przeprowadza się za pomocą ogromnych i wysoce precyzyjnych urządzeń. Przykładem może być teleskop Hubble’a, który został wyniesiony na orbitę okołoziemską w 1989 r. Jego główne zwierciadło o średnicy 2,4 m. zbiera światło gwiazd zanim zostanie ono zniekształcone przez atmosferę (widok Księżyca, albo Słońca o wschodzie, albo przed zachodem).
Na Ziemi znajduje się także okazały teleskop VLT (very large telescope), który składa się z czterech luster (każde o średnicy 8,2 m, wszystkie razem działają, jak teleskop o średnicy 16 m.), odlewanych z kosztownego szkła ceramicznego, niewrażliwego na skoki temperatury w specjalnym obrotowym piecu w Moguncji w Niemczech. Wirująca powierzchnia płynnego szkła w naturalny sposób wygina się, tworząc wklęsły idealnie paraboidalny kształt. Następnie zwierciadło jest chłodzone i przewożone pod Paryż, gdzie przez rok jest szlifowane. Musi być wygładzone z dokładnością do 0,1 mikrometra (to tak, jakby zamarznięta powierzchnia J. Śniardwy miała zostać wypolerowana z dokładnością do 1 mm.). Gotowe lustro płynie statkiem do chilijskiego portu Antofagasta, skąd ciężarówką jedzie na szczyt Cerro Paranal (góry na pustkowiu Atacamy, gdzie deszcz spada raz na dwa lata, ale za to jest każdego roku 300 pogodnych dni; dla porównania w obserwatorium w Toruniu rocznie zdarza się najwyżej 30 pogodnych dni). Aby uniknąć wstrząsów, ciężarówka posuwa się z prędkością 5 km/h. Teleskop jest na tyle czuły, że można nim zobaczyć zapaloną świeczkę na Księżycu (istnieje możliwość zobaczenia części Wszechświata odległego o 10 mld lat świetlnych).
Odległości we wszechświecie są bardzo duże i jednostki przyjęte do pomiarów na Ziemi nie byłyby praktyczne. Dlatego do pomiarów we wszechświecie przyjęto inne jednostki:
- jednostka astronomiczna AU, która jest równa odległości Ziemi od Słońca (ok. 150 mln km.);
- rok świetlny, czyli odległość, jaką światło przebywa w próżni w ciągu jednego roku (ponad 60 tys. AU);
- parsek, czyli odległość, z jakiej połowa wielkiej orbity osi ziemskiej (AU) jest widoczna jako łuk o długości 1 sekundy kątowej (3,26 lat świetlnych).
Poniżej został przedstawiony obraz widziany z Ziemi. Obraz ten jest trochę zniekształcony z uwagi na obecność atmosfery. Kiedy Słońce lub Księżyc wschodzą lub mają się ku zachodowi, ich tarcze widziane z powierzchni Ziemi są znacznie większe, niż w czasie górowania nad horyzontem. Atmosfera działa, jak szkło powiększające, które jest tym grubsze im ostrzejszy kąt pomiędzy powierzchnią Ziemi, a kierunkiem do ciała niebieskiego.