1 Gdzie odległość mierzy się zerami Tomasz Mrozek Instytut Astronomiczny, UWr Zakład Fizyki Słońca, CBK PAN

2 Jednostki odległości w astronomiijednostka astronomiczna AU, j.a. średnia odległość Ziemi od Słońca *1012 m rok świetlny l.y., r.św. odległość przebyta przez światło w próżni w ciągu 1 roku 9.4605*1015 m parsek pc odległość, z której 1 j.a. jest widoczna pod kątem 1’’ 3.0857*1016 m l.y. AU

3 Skala odległości we Wszechświecieprędkość światła: m/s ≈ km/s Wrocław – Legnica: 77 km ≈ s św.

4 Skala odległości we WszechświecieZiemia Księżyc km 1.28 s św.

5 Skala odległości we WszechświecieZiemia Słońce km 498.7 s św. = 8.3 min. św.

6 Skala odległości we WszechświecieSłońce Neptun km s św. = min. św. = 4.1 godz. św.

7 Skala odległości we WszechświecieSłońce Proxima Centauri km 4.22 lat św.

8 Skala odległości we WszechświecieSłońce Centrum Drogi Mlecznej km lat św.

9 Skala odległości we WszechświecieSłońce Galaktyka Andromedy km lat św.

10 Skala odległości we WszechświecieSłońce Kwazar PKS km lat św.

11 Skala odległości we WszechświecieSłońce Granica Wszechświata km lat św.

12 Metody wyznaczania odległości we WszechświecieBezpośrednie: metoda paralaksy, pomiary laserowe pomiary radarowe Pośrednie: świece standardowe, pręty miernicze, prawo Hubble’a i 30 innych…

13 Pomiary laserowe Szereg luster zostawionych na powierzchniKsiężyca (Apollo 11, 14 i 15, Łunochod 1 i 2) Średnica wiązki na Księżycu: 6.5 km Na każde 1017 fotonów w kierunku Ziemi zostaje odbity tylko jeden Ogromna dokładność. Stwierdzono np. oddalanie się Księżyca od Ziemi w tempie 38 mm/rok

14 Pomiary radarowe Prawa Keplera pozwalają nam zmierzyćodległości w układzie słonecznym. Są to jednak odległości względne. Potrzeba wyznaczyć jakąś jednostkę odległości. 1961 r. – pierwsze pomiary (podczas zbliżenia Wenus i Ziemi) Sygnał pokonał ponad 40 mln km Znając położenie planet w US wiedzieliśmy, że Słońce znajdowało się 3.6 razy dalej Wyznaczona wtedy wartość: 1 AU= km

15 Paralaksa Znając długość bazy i kąt o jakiprzesunął się obiekt na dalekim tle można wyznaczyć odległość

16 Paralaksa heliocentrycznaFriedrich Bessel w 1838 mierzy paralaksę gwiazdy 61 Cygni Kolejnego pomiaru dokonał Thomas Henderson. Zmierzył odległość α Cen

17 Paralaksa heliocentrycznaD[pc] = 1/π″ to mierzymy nieznana odległość wyznacz paralaksy tych obiektów to znamy

18 Paralaksa - Hipparcos High Precision Parallax Collecting SatelliteWystrzelony 8 sierpnia 1989 r. Dwa katalogi z obserwacjami: 1. Hipparcos – pomiary położeń (dokładność 1 milisekundy kątowej) i jasności (dokładność 2%) dla 118 tys. gwiazd 2. Tycho – pozycje (z dokładnością milisekund kątowych) i jasności (dokładność 6%) dla ponad miliona gwiazd

19 Paralaksa - dokładnośćWyznaczono paralaksy dla około 7 tys. gwiazd do odległości 500 lat świetlnych W niektórych przypadkach okazało się, że pomiary są obarczone (w niektórych obszarach nieba) błędem na poziomie 1 sekundy kątowej

20 Świece standardowe Na podstawie obserwacji obiektu o znanej jasności wyznaczamy odległość do niego Rolę świec standardowych spełniają między innymi gwiazdy zmienne (pulsujące) i supernowe typu Ia Jeżeli świecą standardową jest bardzo jasny obiekt, to możemy wyznaczyć naprawdę dużeodległości

21 Ilość energii produkowanej w SłońcuMierzymy odległość do Słońca i wyznaczmy powierzchnię sfery o rozmiarze 1 AU Mierzymy ilość energii docierającej w okolice Ziemi w każdej sekundzie (~ 1366 W/m2) i mnożymy przez powierzchnię wyznaczonej sfery Ta sama energia opuszcza powierzchnię Słońca. Zakładając, że Słońce działa stabilnie możemy założyć, że jednocześnie tyle samo jest produkowane wewnątrz W każdej sekundzie Słońce musi zamienić 600 mln ton wodoru w hel aby wyprodukować tak ogromną ilość energii

22 Krótko o ewolucji gwiazdgrawitacja ciśnienie Gwiazda jest w równowadze do momentu gdy nie zabraknie w jej wnętrzu paliwa. Kiedy skończy się wodór rozpoczynają się reakcje palenia helu, a potem cięższych pierwiastków Trwa to do momentu pojawienia się w centrum dużych ilości żelaza (o tym później) Na niektórych etapach swojego życia gwiazda może zacząć pulsować Niektóre gwiazdy pulsujące spełniają bardzo ważną zależność: okres-jasność

23 Świece standardowe – zmienne pulsująceHenrietta Swan Leavitt r r. Związek jasności absolutnej z okresem zmian blasku sprawia, że cefeidy są świecami standardowymi

24 Świece standardowe – zmienne pulsująceCefeidy: nadolbrzymy (widoczne z dużych odległości) gwiazdy zmienne pulsujące okres zmian jasności: od 1 do 150 dni. amplituda zmian jasności: od 0,1 do 2 mag

25 Świece standardowe – zmienne pulsująceRR Lyrae gwiazdy pulsujące, podobne do cefeid, ale mają mniejsze rozmiary i krótsze okresy pulsacji, wykorzystywane do wyznaczania odległości do gromad kulistych W Virginis gwiazdy pulsujące, podobne do cefeid (cefeidy typu II), obserwuje się je w gromadach kulistych,

26 Końcowe etapy życia gwiazd – małe masyGwiazdy o masie: 0,4 M < M < 1.5 M Typowym przykładem jest nasze Słońce Po wypaleniu wodoru we wnętrzu gwiazda kurczy się i rozgrzewa w centrum do temperatury ponad 100 milionów kelwinów – zaczynają się reakcje syntezy węgla

27 Końcowe etapy życia gwiazd – małe masyW pewnym momencie kończy się hel i zapadanie jądra trwa aż do etapu białego karła. Biały karzeł jest jądrem gwiazdy, które ma ogromną temperaturę i wielką gęstość. Zewnętrzne warstwy oddalają się od jądra i w pewnym momencie rozświetlają dzięki promieniowaniu ultrafioletowemu pochodzącemu od gorącego białego karła – obserwujemy tzw. mgławice planetarne.

28 Końcowe etapy życia gwiazd – duże masyPoczątkowo ewoluują podobnie jak gwiazdy o mniejszych gwiazdach Po wypaleniu wodoru i helu gwiazda ma na tyle dużą masę, że po zapadnięciu się jadra temperatura może wzrosnąć do wartości umożliwiającej zapalenie węgla i przemianę w neon, następnie (po kolejnym zapadaniu) neon przemienia się w tlen, tlen w krzem, a krzem w żelazo. Gwiazda przechodzi etap, w którym przypomina cebulę. W różnych jej warstwach spalane są różne pierwiastki

29 Końcowe etapy życia gwiazd – duże masyDalsza ewolucja zależy od tego jak masywne jest jądro. Jeżeli jego masa nie przekracza 1.4 M to gwiazda kończy jako biały karzeł. Gdy masa jądra jest większa to jego kurczenie nie jest zatrzymywane przez degenerację materii i kurczenie trwa aż do momentu gdy elektrony zostaną „wciśnięte” w jądra atomów żelaza. W wyniku tego powstaje gwiazda zbudowana z samych neutronów – gwiazda neutronowa. Podczas tego procesu obserwuje się wybuch supernowej Wybuch supernowej 1987 w LMC

30 Końcowe etapy życia gwiazd – duże masyJasność supernowych w maksimum jest różna i zależy od wielu czynników – nie nadają się na świece standardowe. Jest jeden wyjątek – supernowe typu Ia

31 Biały karzeł a gwiazda neutronowaGórny limit na masę białego karła: ~ 1.4 M gwiazda neutronowa (6 km) biały karzeł (10000 km) r. – r.

32 Ewolucja w układzie podwójnymGwiazdy stosunkowo rzadko żyją samotnie W odpowiednio ciasnych układach podwójnych ewolucja może przebiegać nieco inaczej Przyczyną jest masa przepływająca między składnikami W końcowym etapie życia biały karzeł dostaje dodatkową masę, która powoduje przekroczenie masy Chadrasekhara Eksplodujące w ten sposób gwiazdy mają zawsze taką samą masę. Są też bardzo jasne – doskonałe świece standardowe (dają pomiary odległości około 500 razy większe niż w przypadku cefeid)

33 Pręty miernicze Szukamy obiektów o znanych,charakterystycznych rozmiarach liniowych Pomiar rozmiaru kątowego pozwala wyznaczyć odległość Ta metoda pozwala wyznaczyć odległości rzędu 200 Mpc

34 Odległości kosmologiczneEfekt Dopplera związany jest z ruchem źródła lub/i obserwatora Obserwowane jest przesuniecie ku długofalowej (oddalanie) lub krótkofalowej (zbliżanie) części widma W przypadku odległości kosmologicznych poczerwienienie jest związane z ekspansją Wszechświata

35 Odległości kosmologiczneIm dalsza galaktyka tym większa prędkość oddalania sięod nas Edwin Hubble ( r. – r.)

36 Mierzymy odległości w całym widzialnym Wszechświecie