Podstawowe zagadnienia z astronomii

Astronomia, Planety, Układ słoneczny, Arystoteles, Kopernik, Gwiazdy, Słońce, Droga Mleczna, Galaktyka, Czarna dziura, Materia, Antymateria

W dawnych czasach Ziemię wyobrażano sobie jako płaski krąg nakryty kopułą niebios. Poza tą kopułą było niebo, czyli siedziba bóstw. Po pewnym czasie zauważono, że niektóre ze świecących punktów na niebie zmieniają regularnie położenie wędrując na tle innych punktów tworzących niezmienne grupy. Te przemieszczające się gwiazdy grecy nazwali planetami. 

Już w VI w p.n.e. odkryto, że planety znajdują się znacznie bliżej Ziemi niż gwiazdy. W III wieku p.n.e. niektórzy myśliciele greccy wysuwali hipotezy, że Słońce jest nieruchome, a nasza planeta obiega je dokonując jednocześnie obrotu wokół własnej osi. Twierdzenia te, które pojawiły się już 1800 lat przed teorią Mikołaja Kopernika nie były jednak brane poważnie w starożytności. Zapanował pogląd o geocentrycznym układzie Wszechświata. W myśl tej teorii środek Wszechświata stanowi nieruchoma Ziemia, a dookoła niej po złożonych drogach poruszają się planety, Księżyc i gwiazdy. U podstaw tego poglądu leżały teorie filozoficzne Arystotelesa, który twierdził że Ziemia składa się z czterech żywiołów: ziemi, wody, powietrza i ognia. Ostateczną wersję układu geocentrycznego zaprezentował Klaudiusz Ptolemeusz w II w.

Teoria ta zakwestionowana została dopiero w 1543 roku przez Mikołaja Kopernika, który w swoim dziele O Obrotach sfer niebieskich zaprezentował teorię heliocentryczną. Według poglądów Kopernika środek Wszechświata zajmuje Słońce. Wszystkie planety łącznie z Ziemią obiegają tę gwiazdę po orbitach kołowych. Ziemia oprócz tego wykonuje ruch dookoła swojej osi z zachodu na wschód, sprawiając wrażenie, że gwiazdy obracają się wokół niej ze wschodu na zachód. Teoria kopernikańska stanowiła przewrót w poglądach astronomicznych z jeszcze jednego powodu. Zaprzestano myślenia, iż naszą planetą rządzą zupełnie inne prawa fizyki niż pozostałymi ciałami niebieskimi. Kopernik twierdził, że Ziemia podlega w swym ruchu takim samym prawom jak inne planety krążące wokół Słońca.

Myśl Kopernika utorowała drogę teorii o jedności praw fizycznych we wszechświecie. Zaledwie kilkadziesiąt lat po teorii Kopernika powstało kolejne przełomowe twierdzenie. Giordano Bruno pod koniec XVI wieku uznał, że wszystkie gwiazdy odznaczają się podobnymi właściwościami do gwiazdy, którą obiega Ziemia. Twierdził on, że nasza planeta nie stanowi środka Wszechświata, ale także i Słońce nie zajmuje specjalnego stanowiska w stosunku do innych gwiazd. W XVII wieku Izaak Newton wykazał, że ruchy planet odbywają się pod wpływem siły powszechnego ciążenia. W XIX wieku stwierdzono, że ciała niebieskie krążące wokół Słońca zbudowane są z takich samych pierwiastków, jakie występują na Ziemi. Uzyskano dowód na jedność materii we wszechświecie.

Współczesna astronomia zmodyfikowała nieco teorie XVI-wieczne i wprowadziła liczne uzupełnienia przedstawiając tym samym pełniejszy obraz Wszechświata. Obecnie wiemy, że w przestrzeni kosmicznej znajdują się nieskończone ilości gwiazd. Każda gwiazda to wielka rozżarzona kula gazowa o temperaturze od kilku do kilkudziesięciu tysięcy stopni Celsjusza na powierzchni i dziesiątków milionów stopni wewnątrz.

Na niebie można dostrzec gołym okiem około 6000 gwiazd. Gwiazdy świecą przynajmniej przez część swojej ewolucji, w wyniku zachodzących w ich wnętrzu reakcji termojądrowych (głównie są to przemiany wodoru w hel). Ewolucja gwiazdy rozpoczyna się w momencie wyodrębnienia się jej na skutek kondensacji grawitacyjnej materii międzygwiezdnej. Ewolucję tę przedstawia tzw. Diagram Hertzsprunga-Russella >. Na diagramie pogrupowane zostały gwiazdy ze względu na korelację ich jasności oraz temperatury. Najwięcej gwiazd (w tym Słońce) zajmuje miejsca w tzw. ciągu głównym. Gwiazdy zależnie od wielkości i kierunku ewolucji stają się czerwonymi olbrzymami, białymi karłami, pulsarami, lubczarnymi karłami.

Słońce stanowi gwiazdę przeciętnej wielkości i zalicza się do gwiazd ciągu głównego. Ma ono średnicę rzędu 1 mln 390 tys. km. Temperatura jego powierzchni wynosi prawie 6000°C, natomiast wnętrza około 15 mln°C. Najbliższa gwiazda Proxima Centaurioddalona jest od naszej planety 270 tysięcy razy dalej, niż Słońce. Światło biegnące z prędkością 300 000 km/s przebiega odległość od niej w przeciągu 4,3 roku. Tak więcProxima Centauri oddalona jest od Ziemi o 4,3 roku świetlnego. Światło biegnie ze Słońca na Ziemię w czasie 8 minut i 20 sekund.

Gwiazdy, oraz pyły i gazy międzygwiezdne tworzą ogromne zbiorowiska materii zwanegalaktykami. Prawdopodobnie w innych miejscach naszej galaktyki także powstają układy planetarne przypominające Układ Słoneczny. Wyróżnić można trzy podstawowe typy galaktyk:

1. eliptyczne

2. spiralne

3. nieregularne

W jednej galaktyce mogą znajdować się setki miliardów gwiazd. Galaktyki tworzągromady złożone z tysięcy galaktyk i supergromady składające się z setek lub tysięcy gromad. Słońce znajduje się w galaktyce zwanej Drogą Mleczną, ponieważ jej główna płaszczyzna zarysowana jest przez wstęgę niczym smuga rozlanego mleka. Wstęga ta tworzona jest przez zagęszczenie pyłu i gazów międzyplanetarnych. Droga Mleczna nazywana jest też po prostu Galaktyką.

W skład Galaktyki wchodzi około 100 mld gwiazd. Mają one różną temperaturę i wielkość, jednakże ich wspólną cechą jest to, że są one gazowymi kulami. Droga Mleczna jest galaktyką spiralną. Ma ona kształt ogromnego spłaszczonego dysku z wyraźną centralną wypukłością, w której znajduje się jądro.

Galaktyka spiralna NGC 4414 sfotografowana przez teleskop Hubble'a. Zdjęcie: Wikipedia/NASA.

Szacuje się, że Słońce wraz ze swoim układem planetarnym oddalone jest od centrum Galaktyki o około 25 000 lat świetlnych i biegnie po orbicie kołowej dookoła tego środka z prędkością 250 km/s. Pomimo tak wielkiej prędkości jeden pełny obieg Słońca wraz z układem planetarnym wokół centrum Drogi Mlecznej zachodzi co 225 mln lat. Okres ten nazywa się rokiem galaktycznym. Kula ziemska podczas swojego istnienia obiegła więc centrum Galaktyki nie więcej, niż 25 razy.

Galaktyki leżące najbliżej Ziemi to galaktyki nieregularne. Są to Mały Obłok Magellanai Wielki Obłok Magellana. Prawdopodobnie wewnątrz Galaktyki znajduje się ogromna masa, która ściśnięta do niewielkiej objętości utworzyła tzw. czarną dziurę. Czarna dziura ma tak dużą masę skoncentrowaną w niewielkiej objętości i tak silne przyciąganie, że nic nie jest w stanie jej opuścić, włączając w to światło. Z czarnej dziury nie może się wydostać ani energia, ani też materia, ponieważ wszystkie drogi ucieczki prowadzą z powrotem do jej środka. Czarna dziura wiąże się ze zjawiskiem tzw. zakrzywienia czasoprzestrzeni. Zgodnie z teorią grawitacji w silnym polu grawitacyjnym czas płynie wolniej niż w słabym, a więc wszystkie procesy ulegają spowolnieniu z punktu widzenia obserwatora. Wysokie pole grawitacyjne powoduje także zmianę własności przestrzeni. Kiedy nieskończenie silna grawitacja nie może zostać w żaden sposób zrównoważona, materia zapada się do wewnątrz, co prowadzi do powstania czarnej dziury. W jej pobliżu czas zaczyna biec coraz wolniej.

Obecnie obserwuje się we wszechświecie zjawisko ciągłego oddalania się galaktyk. Proces ten nazywany jest rozszerzaniem się Wszechświata. Im dalej dana galaktyka znajduje się od nas, tym oddala się ona szybciej. Prawdopodobnie prędkość najdalszych galaktyk jest zbliżona do prędkości światła.

Rozszerzanie się Wszechświata. Grafika: Wikipedia

Skoro oddalanie się galaktyk trwa od początku ich powstania, to kiedyś w odległej przeszłości musiały być one skupione w jednym miejscu. Według przyjętej powszechnie teorii Wielkiego Wybuchu Wszechświat narodził się około 15 mld lat temu i powstał na skutek potężnej eksplozji. To wydarzenie dało początek nie tylko materii, ale także energii, przestrzeni i czasowi.

Wszechświat tuż po wybuchu był bardzo mały i bardzo gorący, wypełniony jedynie cząstkami promieniowania. Atomy wodoru i helu z których zbudowane są niektóre powstały kilkaset tysięcy lat później. Skoro Wszechświat się oziębia, to obecnie jego temperatura powinna wynosić ok. -270°C. Radioteleskopy rejestrują tzw. promieniowanie tła, które odpowiada takiej właśnie temperaturze. Jest to pozostałość po Wielkim Wybuchu. Z punktu widzenia teorii Wielkiego Wybuchu i klasycznej teorii grawitacji nie można mówić o okresie przed Wielkim Wybuchem, ponieważ Wszechświat powstał w momencie Wielkiego Wybuchu.

Prawdopodobnie podczas Wielkiego Wybuchu uwolniło się tyle samo antycząstek, co cząstek. Antycząstki to cząstki o ładunkach przeciwnych do ładunków cząstek znanych na Ziem tych, które budują materię. Antycząstki tworzą tzw. antymaterię. Poszukiwania antymaterii we Wszechświecie nie daje na razie rezultatu. Wiadomo, że Układ Słoneczny zbudowany jest ze zwykłej materii. Prawdopodobnie antymateria znajduje się w odległych fragmentach Wszechświata i jest poza zasięgiem teleskopów.