Gwiazdy, galaktyki i Wszechświat

Spojrzenie w niebo

Czy kiedykolwiek patrzyliście nocą w niebo i błądziliście wzrokiem po około 2200 gwiazdach, widocznych nocą gołym okiem?

Czym różnią się te gwiazdy od Slońca? Niczym! Słońce, to po prostu inna gwiazda.

To, że Słońce wydaje się nam znacznie jaśniejsze jest skutkiem tego, że znajduje się znacznie nas bliżej niż inne gwiazdy.

Nawet najbliższa gwiazda znajduje się około ćwierć miliona razy dalej niż Słońce!

Odległości, z którymi mamy do czynienia w astronomii są gigantyczne w porównaniu z tymi, z którymi spotykamy się na Ziemi. Z tego względu te odległości nie są podawane w zwykłych dla nas jednostkach długości, jak metry lub kilometry, lecz raczej w latach świetlnych.

Każdy wie, co oznacza powiedzenie, że dwa miasta są od siebie odległe o godzinę jazdy samochodem.

W astronomii posługujemy się latami świetlnymi, a nie samochodo-godzinami. Oczywiśćie światło porusza się znacznie szybciej niż samochód, około 300 000 kilometrów na sekundę. Rok świetlny jest odległością, jaką przebywa światło w ciągu roku i wynosi
9 460 730 472 580 800 m (tj. około 10 000 miliardów km).

Konsekwentnie, sekunda świetlna, minuta świetlna, godzina świetlna, to odległości przebywane przez światło w czasie jednej sekundy, minuty, czy godziny.

Słońce, to życie!

Słońce jest średnią gwiazdą. Masy gwiazd mogą wynosić od 0,08 do 80 mas Słońca. Temperatura w środku Słońca, to około 15 000 000°C (15 milionów stopni), na powierzchni zaś wynosi ona wciąż około 5800 stopni Celsjusza.

Słońce jest nam niezbędne, gdyż dostarcza energii koniecznej dla wszystkich form życia na Ziemi.

Gigantyczne energie wysyłane przez Słońce może powstawać tylko w wyniku procesów jądrowych. Słońce jest olbrzymim reaktorem jądrowym spalającym jądra wodoru.

W każdej sekundzie w centrum Słońca spala się około 6 miliardów ton jąder wodoru. Procesy jądrowe istotne dla produkcji energii omówimy dokładniej w części "Jądra atomowe i Wszechświat, pochodzenie pierwiastków".

Plamy słoneczne obserwowane przez Galileusza

Planety: widoczne dzięki światłu słonecznemu

Układ Słoneczny składa się ze Słońca i 9 planet poruszających się wokół Słońca po eliptycznych orbitach. W układzie tym znajdują się także mniejsze ciała, jak księżyce okrążające planety, asteroidy i komety. Masa Słońca stanowi 99,85% masy całego Układu Słonecznego, podczas gdy masa wszystkich planet jest mniejsza od 0,15% masy Układu. Trzecią planetą względem Słońca jest Ziemia, nasza własna planeta. Inne planety nazwane zostałe imionami bogów greckich i rzymskich. Uszeregowane w rosnącej odległości od Słońca, to kolejno Merkury, Wenus, Ziemia, Mars, Jowisz, Saturn, Uran, Neptun i Pluton.

Inne planety bardzo róznią się od Ziemi. Na przykład, temperatury na Merkurym, planecie najbliższej Słońca, mogą wynosić w ciągu dnia aż +427 stopni Celsjusza. Jowisz jest niewątpliwie największą planetą. Jego masa przekracza 300 mas Ziemi i jest większa niż łączna masa wszystkich pozostałych planet. Najwyższa w Układzie Słonecznym góra, to Olympus Mons na Marsie. Jest ona około trzy razy wyższa niż najwyższa góra na Ziemi, Mount Everest.

Planetą najbardziej podobną do Ziemi jest Mars. Istnieją dane na to, że w przeszłości na Marsie była woda i oceany. Kształty silnie przypominające brzegi mórz, koryta rzek i wysp wskazują, że kiedyś były tam wielkie rzeki. Nie znamy odpowiedzi na pytanie, gdzie się ta woda podziała. Ze względu na jej możliwe istnienie, przynajmniej w zamierzchłej przeszłości, Mars jest kandydatem na planetę, na której istnieją, lub istniały proste formy życia poza Ziemią.

Wiedza o jądrze atomowym pomaga w szukaniu życia na Marsie

Przyrządy znajdujące się na Beagle 2, który wylądował na Marsie, mogą pomóc w obserwacji pozostałości życia na tej planecie.

Organizmy żywe korzystają przede wszystkim z lżejszego z dwóch trwałych izotopów węgla: ¹²C i ¹³C. Stosunek zawartości tych dwóch izotopów węgla może więc wskazywać, że na Marsie istnieje (lub istniało) życie. Gdyby na podstawie analizy próbek pobranych z powierzchni Marsa okazało się, że względna zawartość ¹²C jest większa, przemawiałoby to silnie za istnieniem życia na Marsie.

Ptolomeusz ustanowił w drugim wieku n.e. układ geocentryczny, który miał wyjaśniać ruch planet. W układzie tym przyjmowano, że Ziemia jest środkiem Wszechświata, a Księżyc, planety i inne gwiazdy krążą wokół Ziemi po współkoncentrycznych okręgach niebieskich. W tym postrzeganiu świata, Wszechświat stanowił kulę o skończonych rozmiarach, poza którą nie było niczego.

Ptolemeusz (około 100 -170 n.e.)

Ptolemeusz był astronomem, matematykiem i geografem. Zgromadził on i skodyfikował całą nagromadzoną wcześniej wiedzę z astronomii oraz sporządził model geocentryczny do opisu położeń planet. Model ten przedstawił w książce znanej pod nazwą (tłumaczoną z języka arabskiego) "Almagestu", co oznacza "największy", i którą to nazwą obejmuje się wielkie wczesnośredniowieczne traktaty na temat jakiejś gałęzi wiedzy. System geocentryczny Ptolomeusza był uznanym modelem Wszechświata przez ponad 1300 lat.

Teoria Kopernika, mówiąca że Słońce znajduje się w centrum Wszechświata była najbardziej radykalnym odkryciem naukowym w pierwszej połowie XVI-go wieku. Ten sposób opisu świata znany jest pod nazwą Układu Heliocentrycznego. Odkrycie Kopernika doprowadziło do gruntownego zrewidowania wiedzy o świecie, zbudowanej na wierze, że Ziemia stanowi centrum Wszechświata.

W wyniku nowej teorii trzeba było uznać Ziemię za jedną z wielu planet.

Było to czymś nadzwyczaj trudnym, gdyż sprzeciwiało się wygodnemu punktowi widzenia, że to Ziemia jest środkiem wszystkiego. Pomimo wszystko, krok po kroku, uczeni przyjęli system heliocentryczny. Teoria Kopernika została w pełni uznana około 100 lat po jego śmierci. Odkrycia zjawisk, które szczególnie przemawiały za systemem heliocentrycznym zawdzięczamy m.in. takim uczonym, jak Kepler i Galileusz.

Mikołaj Kopernik (1473-1543)

Polski astronom i wszechstronny uczony, Mikołaj Kopernik, jest twórcą Systemu Heliocentrycznego. Znaczenie jego teorii jest tak wielkie, że uznawana jest ona za początek współczesnej nauki. Kopernik wpadł na swój pomysł prawdopodobnie pomiędzy rokiem 1508 a 1514, w trakcie których to lat napisał manuskrypt zwany zazwyczaj Commentariolus ("Mały komentarz"). Jednakże książka, zawierająca ostateczną wersję jego teorii, De revolutionibus orbium coelestium Libri vi ("Sześć ksiąg o obrotach ciał niebieskich") ukazała się dopiero w roku 1543, roku śmierci Kopernika. Książka ta stała się jedną z najważniejszych w całej historii nauk przyrodniczych.

Układ Heliocentryczny

Choć silne przekonanie o tym, że Ziemia znajduje się w centrum Wszechświata było mocno zakorzenione w umysłach starożytnych, już w III wieku p.n.e. znaleźli się tacy, którzy mieli pogląd radykalnie odmienny. Wśród nich był Arystarch z Samos (około 310-230 p.n.e.), który wierzył, że to nie Ziemia lecz Słońce znajduje się w środku Wszechświata. Jego książki uczyniły go czcigodną i znaną postacią swego czasu, jego wczesna idea heliocentryczna nie była jednak uznana przez niemal tysiąc lat!

Giordano Bruno (1548-1600) był filozofem włoskim i poetą, który umarł za to w co wierzył. Gdy zrozumiał, że teoria heliocentryczna była blisko temu w co wierzył, stał się namiętnym propagatorem teorii Kopernika. Został oskarżony przez Wielką Inkwizycję o herezję i wolnomyślicielstwo, spędził osiem lat w więzieniu i ostatecznie zginął na stosie.

Kepler stworzył matematyczny opis ruchu planet wokół Słońca. Opis ten, w postaci tzw. praw Keplera, oparty był na szczegółowych obserwacjach astronomicznych, poczynionych i opisanych przez Tycho de Brahe. Prawa Keplera ściśle opisują wyniki tamtych obserwacji i można je sformułować w następujący sposób:

Pierwsze prawo Keplera: Orbity planet są elipsami, a Słońce znajduje się w jednym z ognisk elipsy.

Drugie prawo Keplera: Podczas ruchu planety po elipsie, linia łącząca planetę ze Słońcem zakreśla równą powierzchnię w równych przedziałach czasowych.

Trzecie prawo Keplera: Kwadrat okresu obiegu orbity planety jest proporcjonalny do trzeciej potęgi wielkiej półosi jej orbity eliptycznej.

Johannes Kepler (1571-1630)

Johannes Kepler był sławnym matematykiem i astronomem, który pierwsze nauki pobierał w szkole w pobliżu Württembergu, gdzie się urodził. Następnie studiował na Uniwersytecie w Tybindze: matematykę, a w drugim roku studiów zaawansowaną astronomię. Choć astronomiczny punkt widzenia, zawarty w programie studiów, był, oczywiście, geocentryczny, Kepler, jak się wydaje, natychmiast zrozumiał, że heliocentryczny system kopernikański jest prawdziwy. Pracował na Uniwersytecie w Gratzu, później w Pradze i Linzu. Kepler napisał istotne prace z optyki, a także podał pierwszy dowód oraz napisał książkę o logarytmach. Źródłemj wielkiego autorytetu Keplera jest odkrycie zespołu trzech praw ruchu planet, noszących obecnie jego imię.

Od roku 1995 odkryto ponad 100 planet znajdujących się poza naszym Układem Słonecznym. Planety te poruszają się wokół innych gwiazd niż Słońce. Każdego roku znajdujemy więcej takich planet. Dla astronomów jest to bardzo podniecające, gdyż potwierdza tezę, że najbardziej typową cechą gwiazd jest posiadanie wokół siebie planet, a nawet układu planetarnego. Choć dotąd takich planet nie odkryto, można oczekiwać, że planety o rozmiarach i warunkach temperaturowych, jakie ma Ziemia, mogą znajdować się blisko innych gwiazd. Byłoby to niewątpliwie warunkiem koniecznym dla istnienia życia na tych planetach. Gwiazdy są nazbyt gorące, aby było na nich życie.

Księżyc widziany na naszym nocnym niebie porusza się po niemal kołowej orbicie wokół Ziemi. Niektóre planety (np. Merkury, Wenus) są pozbawione księżyców, inne mają jeden księżyc (Ziemia, Pluton), jeszcze inne - dwa (Mars), a nawet więcej księżyców (Jowisz: 28, Saturn: 18, Neptun: 8). Jak dotąd, jedynym miejscem poza Ziemią, które odwiedził człowiek, był nasz własny Księżyc. Jako pierwszy na jego powierzchni postawił stopę Neil Armstrong - 21 lipca 1969 roku. Niemniej jednak wyprawy planetarne pozwoliły, dzięki wykorzystaniu robotów, zbadać wiele innych planet i księżyców w naszym Układzie Słonecznym.

Miniaturowy układ słoneczny

Słynny włoski uczony Galileo Galilei (Galileusz) zbudował pierwszą lunetę w pierwszych latach XVII wieku. Którejś styczniowej nocy roku 1610 zdecydował się obejrzeć najjaśniejszą świecącą "gwiazdę", Jowisza. Był zdumiony, gdy ujrzał obok niej cztery inne, małe "gwiazdy", niewidoczne gołym okiem. Galileusz szybko doszedł do wniosku, że to, co obserwował, to nie gwiazdy, ale ciała okrążające Jowisza. W ten sposób dokonał odkrycia księżyców Jowisza.

Galileusz odkrył "miniaturowy układ słoneczny". Podobnie jak planety okrążają Słońce, księżyce krążą wokół Jowisza. Galileusz nazwał te księżyce nazwami z mitologii greckiej: Ganimed, Kalisto, Io i Europa. Obecnie wiemy, że Jowisz ma 28 księżyców, cztery największe jednak będą zawsze znane jako "księżyce galileuszowskie".

Galileo Galilei: pionier fizyki (1594-1642)

Galileusz był pierwszym, który korzystał z "doświadczalnej metody naukowej". Badał on swobodny spadek ciał i postulował, że przyspieszenie związane z grawitacją jest takie samo dla wszystkich ciał znajdujących się w danym miejscu. Skonstruował jeden z pierwszych teleskopów na świecie, dzięki któremu dokonał serii znaczących odkryć, m.in. odkrycie księżyców Jowisza i faz planety Wenus (podobnych do faz księżyca ziemskiego). Jego obserwacje upewniły go co do prawdziwości systemu heliocentrycznego. Rozwinął współczesną teorię ruchu i stworzył podwaliny pod dynamikę newtonowską.

Galileusz był profesorem astronomii na Uniwersytecie w Pizie, a później na Uniwersytecie w Padwie, gdzie zaczął wykładać nową teorię. Jego prace naukowe sprowadziły na niego kłopoty ze strony kościoła rzymsko-katolickiego. W roku 1633 Inkwizycja oskarżyła go o głoszenie herezji i zmusiła do wyparcia się (publicznego wycofania) swego poparcia dla Kopernika i układu heliocentrycznego. Został skazany na dożywocie, lecz ze względu na jego podeszły wiek pozwolono mu na odbywanie wyroku w areszcie domowym w jego willi pod Florencją we Włoszech.

Najbardziej interesującym księżycem Jowisza jest Europa, gdyż jest on kandydatem na obiekt, na którym jest życie. Jest on rozmiaru około jednej czwartej wielkości Ziemi i jest pokryty lodem. Obserwacje wskazują, że pod tym lodem mógłby znajdować się największy w Układzie Słonecznym ocean. Ocean ten może mieć głębokość dochodzącą nawet do 20 km (we wszystkich oceanach Ziemi największa głębokość wynosi 11 km).

Wulkany, będące źródłem ciepła dla oceanu Europy, mogą być rajem dla życia. Niezbędna energia wulkanów pochodzi z naturalnych rozpadów promieniotwórczych (jak na Ziemi) w skalistym wnętrzu Europy lub efektu pływów wywołanych pobliskim Jowiszem.

Czy drobne algi (lub gigantyczne kałamarnice!) pływają w oceanie Europy? Tego jeszcze nie wiemy. Odpowiedź zależy od nieznanego mechanizmu tworzenia samego życia, jak również od warunków panujących na Europie. Misja kosmiczna do tego księżyca mogłaby dostarczyć dalszych informacji. Na przykład, statek kosmiczny, który wylądowałby na lodowej powierzchni Europy, mógłby poszukać cząsteczek organicznych powstałych w wyniku życia w oceanie. Lód na Europie jest zbyt gruby dla robienia wierceń, procesy geologiczne mogłyby jednak przetransportować składniki oceanów do powierzchni i wówczas sonda kosmiczna mogłaby je odkryć.

Asteroidy w naszym Układzie Słonecznym są małymi skałami o rozmiarach dochodzących do kilku kilometrów. Pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza znajdujemy wiele asteroid krążących wokół Słońca. Jądra komet mają długość 1 do 20 km i złożone są głównie z lodu i pyłu. Z tego właśnie powodu nazywa się je czasem brudnymi kulamii śniegowymi. Ze względu na ich niezwykle wydłużone orbity eliptyczne, komety spędzają większość czasu o wiele dalej od Słońca niż Pluton. Przybliżając się do Słonca ogrzewają się, a gazy odparowują z ich powierzchni tworząc charakterystyczne ogony.

Czasem asteroidy, komety lub ich kawałki mogą zderzyć się z Ziemią. Wchodząc w atmosferę ziemską rozgrzewają się w skutek tarcia i zaczynają się palić. Wtedy możemy je zaobserwować na niebie jako spadające gwiazdy. Najmniejsze z nich ulegają całkowitemu spaleniu, większe w charakterze meteorytów, mogą jednak uderzyć w Ziemię. Można je szczególnie łatwo znaleźć na Antarktydzie, gdyż tam mogą się one ukrywać w lodzie i być chronione przed zmianami geologicznymi.

Na ogół asteroidy i komety zderzające się z Ziemią są zbyt małe, aby mogły wyrządzić wiele szkód, spalają się one bowiem całkowicie w atmosferze ziemskiej, lub sięgają powierzchni Ziemi nie szkodząc nikomu. Bardzo rzadko zdarza się, że zderzenie asteroid lub komet z Ziemią jest jednak zderzeniem o dużej mocy. Taki przypadek zdarzył się na przykład 56 milionów lat temu, kiedy to asteroida o średnicy 10 km zderzyła się z Ziemią w Ameryce Centralnej. Zderzenie wywołało trzęsienia Ziemi, ogromne pożary i tsunami (gigantyczne fale). Popioły i szczątki wyrzucone w powietrze przesłoniły na miesiące dostęp światła słonecznego do Ziemi, co spowodowało obniżenie temperatury i zamarzanie globu. Wielu uczonych uważa, że w wyniku tego zderzenia wyginęły nie tylko dinozaury, lecz także dwie trzecie stworzeń żyjących na Ziemi.

Droga Mleczna: nasza galaktyka ...

Zbiór ogromnej liczby gwiazd nosi nazwę galaktyki. We Wszechświecie istnieją miriady galaktyk. Nasza własna Galaktyka nazywa się Układem Drogi Mlecznej i obejmuje gigantyczny zbiór około 100 000 000 000 (100 miliardów) gwiazd. Jej rozmiar przekracza 100 000 lat świetlnych. Nasze Słońce jest jedną z takich gwiazd w Układzie Drogi Mlecznej.

Większość gwiazd Układu Drogi Mlecznej znajduje się na płaskiej strukturze spiralnej, wybrzuszonej w środku. Słońce znajduje się w jednym z nieznaczących ramion spiralnych, około dwóch trzecich od środka Drogi Mlecznej. Z tego względu, współczesny punkt widzenia odchodzi od układu heliocentrycznego, jako że nasze Słońce z całą pewnością nie znajduje się w środku Wszechświata. Jest ono po prostu jedną z gwiazd spośród miriadów gwiazd w naszej własnej Galaktyce - Układzie Drogi Mlecznej.

... i blade pasmo na niebie

Określenie Droga Mleczna ma dwa znaczenia. Z jednej strony jest to nazwa naszej Galaktyki, z drugiej zaś, to blade pasmo widoczne na nocnym niebie. Starożytni astronomowie greccy nazwali to blade pasmo Drogą Mleczną, gdyż wierzyli, iż jest ono śladem mleka rozlanego przez bogów.

Niemal wszystkie gwiazdy, które można oglądać gołym okiem na nocnym niebie, należą do naszej Galaktyki. Blade pasmo, to obaz naszej Galaktyki, oglądanej od środka.

Przestrzeń pomiędzy gwiazdami nie jest pusta. Można w niej znaleźć liczne obłoki złożone z pyłu i gazu. Materia tworząca ten pył i gaz, to właśnie materia międzygwiazdowa. Bynajmniej nie jest gęsta; jej najgęstsza część ma gęstość nawet mniejszą niż najlepsza próżnia, którą możemy wytworzyć na Ziemi. Niemniej jednak, ponieważ pomiędzy gwiazdami istnieje ogromna przestrzeń, całkowita masa ośrodka międzygwiezdnego jest około 10 razy większa niż masa wszystkich gwiazd w naszej Drodze Mlecznej.

Grupa Lokalna obejmuje około 30 galaktyk. Dwie największe, to nasza Droga Mleczna i galaktyka Andromedy. Ciemną nocą można zaobserwować galaktykę Andromedy nawet gołym okiem - wygląda jak rozmyta plama na niebie północnym. Jak się sądzi, Droga Mleczna i Andromeda są dość podobnymi galaktykami. Wśród innych, znacznie mniejszych galaktyk, istnieją w Grupie Lokalnej dwie satelitarne galaktyki, które okrążąją Drogę Mleczną. Nazwane są one Dużym i Małym Obłokiem Magellana: można je zaobserwować na południowej półkuli Ziemi.

Oprócz naszej Galaktyki, Układu Drogi Mlecznej, istnieje niezliczona liczba innych galaktyk, z których każda składa się nawet z 1000 miliardów gwiazd. Galaktyki te mogą mieć różne kształty: spiralny, eliptyczny lub nieregularny. Ich rozmiary zmieniają się od galaktyk karłowatych, będących 500 razy mniejszymi od naszej Drogi Mlecznej, do gigantycznych galaktyk eliptycznych, będących 20 razy większymi od Drogi Mlecznej.

Gromada jest grupą galaktyk. Nasza własna gromada, tzw. Grupa Lokalna, zawiera około 30 galaktyk. Oprócz grupy lokalnej istnieje we Wszechświecie niezliczona liczba innych gromad, każda licząca do tysiąca galaktyk. Gromady łączą się tworząc ściany supergromad rozległych na miliony lat świetlnych. Jedna z takich nadzwyczajnych ścian nazwana jest Wielką Ścianą. Ma ona rozmiar 200 milionów na 600 milionów lat świetlnych, a grubość tylko 20 milionów lat świetlnych.

Normalna materia we Wszechświecie składa się z atomów takiego samego rodzaju, jak te, z których zbudowana jest Ziemia, planety, gwiazdy i materia międdzygwiazdowa. Ta normalna materia stanowi jednak zaledwie 4% całkowitej materii we Wszechświecie. Reszta jest pewnym rodzajem materii, której natury, jak dotąd, nie rozumiemy. Nosi ona nazwę Ciemnej Materii.

O istnieniu Ciemnej Materii możemy się jedynie dowiedzieć pośrednio przez obserwację ruchów gwiazd w galaktykach oraz galaktyk i gazu w gromadach. Obserwując dodatkowe ruchy tych gwiazd wydaje się, że działają na nie większe siły grawitacyjne niż można byłoby przypisać normalnej materii. Z tego względu musi istnieć dodatkowa materia, która również wykazuje efekt grawitacji, z drugiej jednak strony zachowuje się w bardzo dziwny sposób, a nasze standardowe metody badawcze nie wystarczają do jej bezpośredniej obserwacji. Jedna z hipotez uczonych głosi, że Ciemna Materia składa się z nieodkrytych dotąd cząstek elementarnych.

Wszechświat, lub Kosmos, obejmuje całą przestrzeń z jej zawartością. Wszechświat nie jest równomiernie wypełniony gwiazdami i galaktykami. Istnieją w nim ogromne obszary, rozciągające się na miliony lat świetlnych, w których nie ma gwiazd i galaktyk. Są one nazywane pustkami (ang. voids). W istocie rzeczy, z większości miejsc we Wszechświecie nie jest rzeczą możliwą dostrzeżenie gwiazdy gołym okiem. To, że widzimy gwiazdy na nocnym niebie zawdzięczamy naszemu położeniu w środku galaktyki. Niemal wszystkie widziane przez nas gwiazdy należą do Układu Drogi Mlecznej. Wokół pustek istnieją gigantyczne struktury złóżone z gromad i supergromad galaktyk.

Napisy na pocztówce głoszą:
Nazwisko: Heinz Oberhummer;
Instytucja: Politechnika Wiedeńska;
Ulica: Wiedner Hauptstr. 8-10;
Miasto: Wiedeń;
Państwo: Unia Europejska;
Planeta: Ziemia;
Gwiazda: Słońce;
Galaktyka: Droga Mleczna;
Gromada: Grupa Lokalna;
Wszechświat