CSILLAGÁSZAT A NAPRENDSZER

Átírás

1 CSILLAGÁSZAT A NAPRENDSZER ÁLTALÁNOS JELLEMZÉS A Naprendszer kifejezés, mint ahogyan azt a két szó összetétele is mutatja, központi csillagunkhoz: a Naphoz tartozó égitestek rendszerét jelenti. A Nap kitüntetett helyet foglal el benne, gravitációs hatása és sugárzása uralja a rendszert. A Naprendszerhez tartozó objektumokat a Nap, hatalmas tömegéből származó erős gravitációs terével tartja maga körül záródó pályán. A Naprendszer égitesteinek nagyrésze egy sík közelében, ugyanabban az irányban kering. (Ez a Föld északi pólusa felől nézve az óramutató járásával ellentétes irány, amelyet direkt iránynak neveznek, az ezzel ellenkezőt pedig retrográdnak.) A Naprendszer határát ugyanúgy nehéz meghúzni, mint pl. a Föld légkörének határát. Általában a Naprendszerhez tartozó égitestnek szoktuk tekinteni azt az objektumot, amely a Naptól mért két fényéves távolságon belül helyezkedik el. Kialakulása: - Nap+bolygók egyidejűleg - ~ 5 milliárd éve - valószínűleg egy kvazárrobbanás miatt keletkezett egy nagy anyagfelhő, ebben a nehéz elemek is benne voltak - a felhő sűrűsödött perdülete van (forog) anyagcsomók leválnak bolygóvá válnak Tagjai: - Nap (a N. tömege 750-szer nagyobb, mint a többi bolygóé összesen) - 9 bolygó - kb kisbolygó - üstökösök, meteorok - csillagközi anyag Föld típusú bolygók (belső bolygók): Merkúr, Vénusz, Föld, Mars: Közel vannak a Naphoz, kisebbek, sűrűbbek, szilárd felszínnel rendelkeznek, csak a nehéz elemek maradtak bennük, magas olvadáspontú anyagokból állnak (ionos, kovalens kötések) Jupiter típusú bolygók (külső bolygók): Jupiter, Szaturnusz: Óriásbolygók, nagy tömeggel, H és He keverékéből állnak, kevés C, N, O, egyéb, nincs szilárd felszínük (gáz+folyadék keverékek) Uránusz, Neptunusz: Az előző kettőnél kicsit kisebb a tömegük, ezért a hidrogént és héliumot nem tudták megtartani (hőmozgás!) CH 4, NH 3, H 2 O, de főleg fagyott állapotban Habár a Plútó külső bolygó, de igazán mégsem sorolható egyik csoportba sem. Anyaga és mérete szerint Föld típusú, de biztosan nem azokkal együtt alakult ki. Jellemzésénél kitérünk erre a problémára is. A Naprendszer bolygói a Naptól való távolság sorrendjében: Merkúr, Vénusz, Föld, Mars, Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz, Plútó A NAP Működése Önszabályozó magfúzió: 1 s alatt 600 millió tonna hidrogén alakul át héliummá, miközben 4 millió tonnával kisebb lesz a tömege, mivel energiaként (hő, fény) szétsugárzódik a világűrbe az E=mc 2 értelmében. A XX. századig nem tudták elképzelni, hogy mi fűti a Napot!! Forog a saját tengelye körül (25 földi nap), differenciális rotáció Szerkezete Belseje: Mag: 15 millió kelvin fokos hőmérséklet Felszín: 6000 kelvin körüli hőmérséklet innen jut a fény a szemünkbe.

2 A BOLYGÓK JELLEMZÉSE Merkúr - a Holdéhoz hasonló kráteres felszín - kis tömege és napközelsége miatt alig van légköre (a kevés He cserélődik) - 1 nap = 59 földi nap, 1 év = 88 földi nap - lassú tengelyforgása miatt nagy a hőmérsékletkülönbség az éjszakai és a nappali oldala között: A +440 C és 170 C közötti ingadozás rekord a Naprendszerben - holdja nincs Vénusz - Esthajnalcsillag! - 1 nap = 243 földi nap, 1 év = 225 földi nap! (egy nap hosszabb, mint egy év ) - magas légköri nyomás (a földi 90-szerese), egyenletesen magas hőmérséklet (490 C körül), erős szelek, porviharok (akár 300 km/h körüli sebességű) - légköre 96 % CO 2, 3,4 % N 2, a felhők kénsav és sósav tartalmúak: az üvegházhatás jelentős! - felszíni formák alig vannak: a maximális szintkülönbség 100 m körüli - holdja nincs Föld - az egyetlen bolygó a Naprendszerben, ahol élet fejlődött ki (szerencsés távolságban vagyunk a Naptól!) - egy holdja van (de van egy porholdja is!) - tengelydőlése miatt évszakok vannak Mars - kicsi tömege (1/10 Föld) miatt ritka a légkör a ritka légkör miatt viszont kicsi légnyomás (a földi 0,7 %-a) erős az UV-sugárzás,a felszíntől emelkedve gyorsan csökken a hőmérséklet - a légkör összetétele: CO 2 95 %, N 2 2,7 %, Ar 1,6 % - jellegzetes felszíni alakzatok: pajzsvulkánok (pl. Olympos Mons: 22 km magas, 600 km átmérőjű, a Naprendszer legnagyobb vulkánja! Kiszáradt folyóvölgyek, kiszáradt tengeralapzatok, az egykori élet feltételeit biztosíthatták kráterek (vulkáni és meteor), portengerek (FeO tartalmú, ez adja a Mars jellegzetes vörös színét) - holdjai: Phobos és Deimos Uránusz március 3.. Herschel fedezte fel - szinte fekszik. A keringési síkjával 8 -ot zár be a forgástengelye - vékony gyűrűje van - 82 éves keringési periódus - 5 nagy holdja: Ariel, Umbriel, Titánia, Oberon (Shakespeare!) + kicsik Jupiter - nincs szilárd felszíne: gázok és folyadékok alkotják (90 % H, 10 % He, + egyéb egyszerűbb vegyületek) - kicsi a sűrűsége csíkos, párhuzamos szerkezetű felhőzet, örvények (pl. Nagy Vörös Folt) - 1,7-szer több energiát sugároz, mint amennyit elnyel: saját energiatermelése van! (emiatt nincsenek évszakok sem, pedig 30 -os tengelydőlése van) - gyűrűje van (vékonyabb, halványabb, mint a Szaturnusznak) földtömegű - 16 holdját ismerjük, a négy legnagyobb a Galilei féle holdak. Io, Europa, Ganymedes, Callisto Szaturnusz - 95 földtömegű - jellegzetes gyűrűrendszere van: általában koncentrikusak, milliméterestől a méteres nagyságrendig terjedő kavicsok alkotják, nagyon vékony (kb. 15 km) - gyors tengely körüli forgás (10 óra 14 perc lapultság) - 11 holdja van, a legnagyobb: Titán Neptunusz szept. 23. Galle - gyűrűje van - 2 nagy holdja: Triton, Nereid + kicsik Plútó febr. 18.: Clyde Tombough (Parsival Lowell!) - a Föld tömegének 5 százaléka (nagyon kicsi) év keringési idő : a Neptunusz a legkülső bolygó! - holdja. Charon KISBOLYGÓK A kisbolygó elnevezéssel azokat az égitesteket szokták illetni, amelyek a Föld-típusú bolygókhoz hasonló összetétellel rendelkeznek, de mégsem tartoznak ebbe az osztályba. Méretük a deciméteres, méteres nagyságtól a néhány száz km-es átmérőig terjed. Legnagyobb képviselőik alakja közel gömbszimmetrikus, a kisebbeké szabálytalan. Többségük a Mars és a Jupiter pályája közötti térségben található, ezt nevezik kisbolygó- vagy aszteroidaövnek. Pályájuk általában elnyúltabb és nagyobb pályahajlású, mint a nagybolygóké, de azért az ekliptika síkjában mutatnak koncentrációt. Tengelyforgási idejük többnyire 4-20 óra közötti. Kis tömegük miatt légkörrel nem rendelkeznek, felszínüket kráterek borítják. Az eddig legalább egy alkalommal észlelt kisbolygók száma tízezer körüli, teljes számuk milliós nagyságrendű. Kb db (néhány méterestől a pár száz kmig); összeütközéskor mindenképpen aprózódnak! Sok magyar felfedezésű és magyar nevű van (emberekről nevezik el őket) Az egyértelműen azonosított kisbolygók először általában kódszámot kapnak (pl. B-612) ÜSTÖKÖSÖK Az üstökösök a Naprendszer egyik leglátványosabb égitesttípusát alkotják. Annak ellenére, hogy időnként rendkívül feltűnőek, valójában kisméretű, nehezen megfigyelhető, sötét objektumok. Csak a Nap közelében tündökölnek látványosan, központi csillagunktól távol az észrevétlenség homályába burkolóznak. Az üstökös lelke az üstökösmag. Ez egy km-es, néhány tíz-száz méteres objektum, szén, szilikát és egyéb szilárd szemcsékből áll, melyeket nagy mennyiségben jelenlévő fagyott gázok ragasztanak össze (főleg vízjég, ammónia, metán, széndioxid, szénmonoxid). Több szempontból is a kisbolygókra hasonlítanak,

3 azoktól csak naptávolságban és összetételben különböznek. (A kisbolygók tulajdonképpen a Naprendszer belső területén kialakult "száraz üstökösmagoknak" tekinthetők. A Nap körül keringenek ellipszis pályán Hosszú periódusúak: akár 1 millió éves visszatérésű is lehet (kb. 600-at ismerünk) Rövid periódusúak: 200 éven belül visszatérnek (2120-at ismerünk, ők is hosszúper-ként kezdték ) Az óriásbolygók befolyásolhatják a pályáikat. Felépítés: piszkos hógolyó : napközelben felolvad, párolog Mag: néhány km-es, szilárd Kóma: gázfelhő, az olvadás-párolgás eredménye Halley-üstökös: 76 évenként, (1986) Hale-Bopp: 3200 évenként (1997) METEOROK Kialakulás: Az üstökösök magjából a fagyott anyag elpárolog, csak a por és kőzetek maradnak A kavicsok széthúzódnak az egykori üstökös pályáján: meteorraj Általában néhány köbcentisek, ritkán nagyobbak km/s sebességűek Csóva: a napszél és a fénynyomás lefújja a kómát (por és ion csóva) több tíz millió km-es is lehet, de nagyon ritka a Nappal ellentétes irányú: tolhatja a csóvát Hullócsillag : a Föld keresztezi a meteorraj pályáját: akkor a légkörben súrlódás, fékeződés, felizzás fény, hő, ionizálás (az 1 milligrammos már nyomot hagy az égen) Bolygóközi anyag A bolygóközi (interplanetáris) anyag kifejezés alatt azt a ritka anyagot értjük, amely a Naprendszerben a bolygók közötti térségben található. Két fő összetevőre bontható: bolygóközi gázra és porra. Bolygóközi gáz: főleg ionizált hidrogénből és héliumból, azaz protonok, elektronok és alfa részek elegyéből áll. Ennek fő forrása a Nap, ahonnan nagysebességgel áramlanak kifelé. A gáz nagy része ionizált állapotban van, ezt szokták napszélnek nevezni, amelynek intenzitása a Nap aktivitásának megfelelően változó. A plazma elektromos vezetőképessége révén mágneses teret is visz magával, ez hozza létre az interplanetáris mágneses teret. Bolygóközi por: nagy, lapult ellipszoid alakban veszi körül a Napot, szimmetriasíkja az ekliptika. Tulajdonképpen a kisbolygók, üstökösök és a kis porszemek között folyamatos az átmenet, a méretskála minden részén találunk szilárd testeket, ez a porfelhő főleg 0,1-0,001 mm-es szemcsékből áll. A porszemcséken szóródó napfényt szabad szemmel is meg lehet figyelni, mint halvány derengést az ekliptika síkjában, ezt nevezik állatövi fénynek. A Tejútrendszer A csillagok nem egyenletesen elszórva találhatók a Világegyetemben, hanem hatalmas formációkba csoportosulnak, amelyeket relatíve üres térségek választanak el egymástól. Az ilyen csillagcsoportosulásokat nevezzük galaxisoknak, ezek tagjai nemcsak térben, hanem származásukat tekintve is egységet alkotnak. A galaxisokat tagjaik egymásra kifejtett gravitációs vonzóereje tartja össze. Minden egyes csillag önálló pályán kering a galaxis középpontja körül. (A csillagok mozgásának kiszámítása nem könnyű feladat, mivel nemcsak a galaxis centrumának gravitációs ereje hat rájuk, hanem a környezetükben lévő többi csillag és egyéb objektumok is.) Azt a galaxist, amelynek a mi Napunk is tagja, Tejútrendszernek nevezzük. Ez típusát tekintve spirális galaxis, kora nagyságrendileg milliárd év. (Egyelőre nem tudjuk megállapítani, hogy horgas vagy normális spirális galaxis-e.) Érdemes megjegyezni, hogy kölcsönható galaxis, erről bővebben a "Lokális Halmaz" című fejezetben olvashatunk. Tejútrendszerünkben a látható anyag tömege nagyságrendileg naptömeg, míg a láthatatlan anyag mennyisége ennek kb. 10- szerese milliárd csillagot tartalmaz, melyek eloszlása nem egyenletes. AZ UNIVERZUM KIALAKULÁSA A Világegyetem kb. 15 milliárd évvel ezelőtt egy ősrobbanásból született meg. A hirtelen tágulással a hőmérséklet csökkent, a mérete nőtt. A gravitáció miatt az ősi gázokból álló felhők galaxisokká csomósodtak. Egy ilyen galaxis a Tejútrendszer, mely több milliárd csillagot (1011 ) tartalmaz. A tejútrendszer oldalról nézve egy diszkoszhoz hasonlít, felülről nézve spirálkarok láthatók. Átmérője kb. 100 ezer fényév. Egy ilyen spirálkarban van a Naprendszer. A Naprendszer kb. 5 milliárd évvel ezelőtt alakult ki az örvénylő nehezebb elemekkel szennyezett gázból és porból a gravitációs összehúzódás hatására. A nehezebb elemek egy korábbi szupernóva robbanásból származtak. A Naprendszer az a tartomány, ahol a Nap gravitációs hatása erősebb, mint a többi csillagé. Sugara 2 fényév. -A Naprendszer tömegének 99,8%-a a Napban összpontosul. A Naprendszer központi égiteste a

4 Nap. Egy közepes méretű csillagnak számít. Saját fénnyel rendelkezik. Nagy része hidrogén, mely fúzióval héliummá alakul, miközben energia szabadul fel. A Napban találhatók még a héliumon kívül kis százalékban nehezebb elemek is. Életének a felénél tart, vagyis életének milliárd évéből kb. 4-5 milliárd év van még hátra. Anyaga plazma. -A Nap is forog saját tengelye körül, de középen ez a forgás gyorsabb, mint a sarkoknál. -A Napnak is van mágneses tere. Az elektromágneses sugárzás minden fajtáját kibocsátja. -A Napot elhagyó, többnyire protonokból, elektronokból és héliumatommagokból álló részecskeáram a napszél. -A Napból egy fénysugár kb. 8 perc alatt ér el a Földre. Amíg csak a hagyományos távcsővel lehetett megfigyelni a Napot, addig közvetlenül nem lehetett tanulmányozni, hiszen akár rövid időn át történő Napba nézés is súlyos szemkárosodást, esetenként vakságot is okozhat. Ezért a korábbi megfigyeléseket úgy végezték, hogy a távcsővel előállított képet fehér ernyőre vetítették, és azt tanulmányozták. Ma már a távcső optikájába épített szűrők segítségével közvetlen megfigyelések is végezhetők. A Nap sugárzása az élet szempontjából elsődleges fontosságú. Korábban úgy gondolták, hogy a Nap által kisugárzott óriási energia a saját gravitációs mezője hatására történő összehúzódásból származik. Csak a XX. Század fizikája tudott válaszolni pontosan a Nap energiájának termelődésére. A Nap energiája a fúziós reakcióktól származik. A Nap külső alacsonyabb hőmérsékletű részeiben a hidrogén héliummá alakulása biztosítja az energiát. A Napban másodpercenként mintegy 600 millió tonna hidrogén alakul át héliummá. Az átalakulást a 2 E= m c egyenlet alapján kísérő tömegdefektus kb. 4 millió tonna. A Nap mélyebb, magasabb hőmérsékletű részeiben, a szén-nitrogén ciklusban végbemenő fúzió a számottevő. Ebben a folyamatban a szénatom magjába egymást követő lépésekben beépül 4 proton. Az így elkészült héliummag kisugárzódik, mint a fúzió végterméke. Ebben a folyamatban a szén katalizátorként jelenik meg, a folyamat végén teljes egészében visszakapjuk. A hidrogén csökkenésével és a hélium növekedésével nagyobb rendszámú elemek is képesek keletkezni. A vizsgálatok azt mutatják, hogy külső rétegei 73% hidrogénből és 25% héliumból állnak. A maradék 2%-ban találhatók a nehezebb elemek, mint a szén, titán, magnézium, kalcium, alumínium. A Nap belsejében 10 -szer nagyobb a nyomás, mint a normál légköri nyomás. Ez az óriási nyomás arra törekszik, hogy a Nap anyagát szétszórja a gyakorlatilag nulla nyomású világűrbe. Ezt a szétszóró hatást erősíti a fénynyomás is. Ez ellen a szétszóró hatás ellen működik a gravitáció. A fogyatkozások kialakulása Holdfogyatkozás akkor következik be, ha a Hold a Föld árnyékkúpjába kerül. Ha a Hold az árnyékkúp tengelyén halad át, mindig teljes holdfogyatkozás lép föl. Ha a Hold holdtöltekor csak részben kerül a Föld árnyékkúpjába, részleges holdfogyatkozás jön létre. A holdfogyatkozás a napfogyatkozással ellentétben bárhonnan megfigyelhető. Napfogyatkozás akkor jön létre, amikor a Hold a Nap és a Föld közé kerül és a Hold árnyékkúpjának egy - legfeljebb 264 km átmérőjű - foltja a Föld felszínére vetődik. 10 Amikor a Hold földközelben, a Föld pedig naptávolban jár (nyár), a Hold látszólagos átmérője nagyobb a Napénál. Ekkor jöhet létre teljes napfogyatkozás. A jelenség maximális időtartama 7.5 perc lehet. A teljes fogyatkozás zónáján kívül részleges fogyatkozás figyelhető meg. Amikor a Hold földtávolban, a Föld napközelben van (tél), a Nap látszólagos átmérője nagyobb a Holdénál, így a Hold nem tudja az egész napkorongot eltakarni, és gyűrűs napfogyatkozás jön létre. Maximális időtartama 12.5 perc. Napfogyatkozáskor megfigyelhetővé válnak a protuberanciák, a napkorona.

5 A csillagok nagy tömegű, saját fénnyel rendelkező égitestek. A legközelebbi ezek közül a Nap. Nem egyenletesen oszlanak el a térben, hanem galaxisokba tömörülnek. A világegyetemben mindenütt megtalálható hidrogénfelhők gravitációs összehúzódásából jönnek létre.életük legnagyobb részében ezt a hidrogént fogyasztják a magban lejátszódó és energiát felszabadító fúziós reakciók során. Ezt az energiát elsősorban a fotonok szállítják a csillag felszíne felé. A csillag belseje azonban annyira sűrű, hogy a fotonok gyakran összeütköznek egy-egy atommaggal. Emiatt a fotonok kifelé nyomják a csillag anyagát (sugárnyomás). A csillagok fejlődését az összetömörült hidrogén tömege határozza meg. A csillagok tömege 0,1 és 30 Naptömeg között van. Ha a csillag kezdeti tömege 0,1 Naptömegnél kisebb, akkor a gravitációs összehúzódás okozta felmelegedés nem elegendő ahhoz, hogy a hidrogénfúzió elinduljon. Az ilyen csillag a BARNA TÖRPE. Csak halványan izzik, majd kihűl, és FEKETE TÖRPÉVÉ válik. Ha a csillag kezdeti tömege 0,1 és 0,8 Naptömeg között van, akkor a gravitációs összehúzódás okozta felmelegedés hatására, megindul a hidrogén hélium fúzió. Ha a hidrogént elhasználja, akkor a gravitáció Föld méretűre összeroppantja a csillagot, az felizzik, a csillagból FEHÉR TÖRPE lesz, és lassan kihűl. Ha a csillag kezdeti tömege 0,8 és 1,4 Naptömeg között van, akkor a gravitációs összehúzódás okozta felmelegedés hatására a megindul a hidrogén hélium fúzió. Ha a belsejében elfogy a hidrogén, akkor az összehúzódáskor keletkező hő felmelegíti a csillag külső részeit, ahol elegendő hidrogén van a hidrogén hélium fúzióhoz. A csillag külső része felfúvódik, nagy felületen sok energiát sugároz ki, a felszíne lehűl és VÖRÖS ÓRIÁS lesz.(a Nap ebbe az állapotba 5 milliárd év múlva jut) Eközben a csillag belsejében az összehúzódás miatt 100 millió fokra is megnő a hőmérséklet, újabb fúziós folyamatok indulnak be, kialakulnak a közepes rendszámú elemek. Végül, amikor minden energiája elfogy FEHÉR TÖRPÉVÉ, zsugorodik össze. Ha a csillag kezdeti tömege 1,4 és 10 Naptömeg között van, akkor a VÖRÖS ÓRIÁS állapotot követően a gravitációs összehúzódás miatt olyan magas hőmérséklet alakul ki, hogy a fúziós folyamatokban nehezebb elemek atommagjai is kialakulnak, amíg a csillag magja teljen egészében vassá nem alakul. Ekkor a vörös óriás belseje összeomlik, felmelegszik a csillag belső része, a vasnál nagyobb rendszámú atommagok is kialakulnak, de ez már energiaelnyeléssel jár. A csillag, anyagának jelentős részét kilöki a csillagközi térbe. Ez a jelenség a SZUPERNOVA-ROBBANÁS. A kidobódott magasabb rendszámú elemek bejuthatnak egy hidrogénfelhőbe, melyből később újabb csillagok képződhetnek. (Ilyen szennyezett hidrogénfelhőből jött létre a Naprendszer is.) A csillagból visszamaradt központi részben az elektronok és a protonok neutronná egyesülnek. Az összehúzódás addig folytatódik, amíg a csillag sűrűsége el nem éri az atommag sűrűségét. A végén egy kb km átmérőjű NEUTRONCSILLAG lesz. Ha a csillag kezdeti tömege 10 Naptömegnél nagyobb, akkor a SZUPERNOVA-ROBBANÁS után a NEUTRONCSILLAG összehúzódása nem áll le. A csillag olyan kicsivé húzódik össze, hogy a környezetéből a fény már nem tud távozni, FEKETE LYUK keletkezik. A gravitáció mindenek felett A gravitáció a legfontosabb kölcsönhatás a Világegyetem nagyléptékű szerkezetének vizsgálatakor, így érthető, hogy a csillagászati tananyagban is kiemelt szerephez jut. A gravitáció következtében léteznek égitestek, ez az ami a különböző objektumok anyagát összetartja. A gravitációs erő hatására kering a Hold a Föld körül, a bolygók a Nap körül, a csillagok a galaxisok középpontja körül, a galaxisok egymás körül, stb. A gravitációs erő hatására nehezednek a csillagok külső rétegei olyan nagy nyomással belsejükre, hogy ott akkora hőmérséklet és sűrűség uralkodjon, ami kedvez a termonukleáris fúziós reakciók lezajlásának. A Nap és az összes csillag energiatermelő folyamatai bizonyos értelemben a gravitáción alapulnak. A gravitáció határozza meg a Világegyetem jelenét és jövőjét.