Gravitáció, csillagászat

Az előadások a következő témára: "Gravitáció, csillagászat"— Előadás másolata:

1 Gravitáció, csillagászat
W. Anderst, az Apollo-8 egyik asztronautáját megkérdezte a kisfia, hogy ki csinálta az űrhajót? -Sir Isaac Newton – válaszolta Anders. – Azt hiszem, minden ma működő gépet ő épített. (Az Apollo-8 útja során kerültek először emberek a Hold közelébe.)

2 Newton, Isaac ( ) A dinamika alaptörvényeinek megfogalmazásával és az általános tömegvonzás felfedezésével lehetővé tette a földi és égi mechanika egységes magyarázatát. Megmagyarázta a prizma színszórását. Elkészítette az első tükrös teleszkópot.

3 Az általános tömegvonzás törvénye
Bármely két test között kölcsönös vonzóerő lép fel, amely pontszerű testek esetén a két test tömegével egyenesen, a közöttük lévő távolság négyzetével fordítottan arányos: F = f• m1 • m2 /r2 Ez a tömegvonzási, vagy más néven gravitációs kölcsönhatás az anyagi testek egyik alapvető kölcsönhatási formája. Az f arányossági tényezőt gravitációs állandónak nevezzük.

4 Cavendish kísérlete (1798)
Már Newton életében is voltak próbálkozások a gravitációs állandó mérésére, de ezek nem vezettek eredményre. Ezt a feladatot Cavendish ( ) oldotta meg 1798-ban, 71 évvel Newton halála után. Méréseihez úgynevezett torziós mérleget használt

5 A gravitációs gyorsulás térerősség-jellege 1.
Homogén térben: F = Q • E F = m • g

6 A gravitációs gyorsulás térerősség-jellege 2.
Pontszerű, illetve gömbszerű test terében: F = f• M • m /r2 E = f• M /r2 F = k• Q • q /r2 E = k• Q /r2

7 Súly és súlytalanság

8 Eötvös Loránd ( ) Az általa szerkesztett ingával 9 tizedesjegy pontossággal igazolta a súlyos és a tehetetlen tömeg arányosságát. Az Eötvös-ingának nagy jelentősége van az ásványkutatásban. Jelentős eredményeket ért el a kapillaritás és a mágnesesség terén is.

9 Az Eötvös-inga A nehézségi gyorsulás a tér minden pontjában kissé különböző irányú és nagyságú. Az inga rúdjára forgatónyomaték hat.

10 A súlyos és a tehetetlen tömeg
Tehetetlen tömeg (tehetetlenség): azt jelenti, hogy a test sebességének a megváltoztatásához erőhatás szükséges. F = mt • a Súlyos tömeg (gravitáló képesség): azt jelenti, hogy két test kölcsönösen vonzza egymást. F = f• Ms • ms /r2 Eötvös Loránd igen nagy pontossággal igazolta a kétféle tömeg egyenlőségét.

11 Kepler törvényei A bolygók ellipszispályán keringenek, amelyeknek egyik gyújtópontjában a Nap áll. A Naptól a bolygóhoz húzott vezérsugár egyenlő idők alatt egyenlő területeket súrol. A bolygók keringési időinek négyzetei úgy aránylanak egymáshoz, mint az ellipszispályák fél-nagytengelyeinek köbei. T12 : T22 = a13 : a23

12 Ábra Kepler törvényeihez

13 Kopernikusz, Nikolaus (1473-1543)
1510 körül rájött arra, hogy a bolygómozgásokat egyszerűbben lehet értelmezni, ha felteszi, hogy a bolygók a Nap körül keringenek. Mivel a bolygók pályáját körnek tekintette, heliocentrikus elméletét nem tudta bizonyítani.

14 Kepler, Johannes ( ) Prágában Tycho Brache asszisztense volt s tőle hatalmas bolygóészlelési anyagot kapott. A Mars térbeli helyzetét vizsgálva rájött, hogy ellipszispályán mozog. Később ezt más bolygókra is kimutatta s még két alapvető fontosságú tételre bukkant rá. Munkássága a koperniku-szi heliocentrikus világ-rendszer győzelmének beteljesülését jelentette.

15 Távolságegységek Csillagászati egység (Cs. E.): a Föld nap körüli elipszispályája fél nagytengelyének hossza. 1 Cs.E.= km Fényév: az a távolság, amit a fény 1 év alatt befut. 1 fényév = 9,46∙1012 km = 63240,64 Cs. E. Parsec: 1 ps távolságból a földpálya fél nagytengelye merőleges rálátás esetén 1’’ szögben látszik. 1 ps = cs.e. = 3,26 fényév

16 A Naprendszer Naprendszer: az a tartomány, melyben a Nap gravitációs tere dominál. (kb. 2 fényév sugarú gömb) A Nap Nagybolygók és holdjaik Kisbolygók (kb ) Üstökösök és meteorok Bolygóközi anyag

17 A Naprendszer keletkezése
A Nap és a bolygók egy időben, ugyanazon folyamat eredményeképpen, a csillagközi anyag ugyanazon felhőjéből , egyszerre alakultak ki.

18 A Nap A Nap átlagcsillag, csak sokkal közelebb van hozzánk, mint a többi csillag. Átmérője: 1,4•106 km Tömege: 1,98•1030 kg Sűrűsége 1410 kg/m3 Gravitációs gyorsulás a felszínén.: 274 m/s2. Átlagos felszíni hőmérséklete: 6000 K. Közepes távolsága a Földtől: km

19 A Nap energiatermelése
XIX. század eleje: közönséges égés (néhány ezer év) XIX. század közepe: gravitációs összehúzódás (néhány százezer év) XX. század eleje: radioaktív bomlás Magfúzió A Nap kb. 4,5 milliárd év óta változatlanul termeli az energiát. (és még 10 milliárd évig)

20 Fúzió a csillagokban (p-p ciklus)

21 Fúzió a csillagokban (C-N ciklus)
12C + 1H = 13N + g + 1,95 MeV 13N = 13C + b+ + 2,22 MeV 13C + 1H = 14N + g + 7,54 MeV 14N + 1H = 15O + g + 7,53 MeV 15O = 15N + b+ + 7,21 MeV 15N + 1H = 12C + 4He + 4,96 MeV

22 A Nap szerkezete

23 A Nap belseje Centrális mag (r < 0,1R): itt játszódnak le a magfolyamatok. Röntgensugárzási zóna: a magban keletkezett energia sugárzás formájában terjed a külső, hidegebb tér felé. Konvektiv zóna: az energia nem csak sugárzás, hanem anyagáramlás útján is vándorol kifelé.

24 A Nap „légköre” Fotoszféra: (a Nap „felszíne”, mindössze 400 km vastag) Innen érkezik a napsugárzás 90 %-a. Kromoszféra: protuberanciák (gázhidak) itt játszódnak le a napkitörések (flerek), vagyis a kifényesedések és elhalványulások. Korona: folyamatosan megy át a bolygóközi anyagba.

25 Föld-típusú bolygók Merkúr, Vénusz, Föld, Mars
Lassúbb tengely körüli forgás Kisebb tömeg Nagyobb átlagsűrűség

26 Föld Közepes távolsága a Naptól: 149,6 millió km.
Keringési periódusa: ,26 nap. Átmérője: km Tömege: 6•1024 kg Sűrűsége 5,52 kg/dm3 Gravitációs gyors.: g = 9,8 m/s2 Átlagos felszíni hőmérséklete: 288 K

27 A Hold fontosabb adatai
Átlagos távolsága a Földtől: km Átmérője: km Tömege: 0,012 földtömeg Felületi gravitációs gyorsulása: g/6 Keringési és forgási periódusa: 27,3 nap. Légköre nincsen Kora: kb. 5 milliárd év.

28 A Hold felszíne Medencék (kör alakú lapos síkságok)
Kontinensek: a medencéknél magasabban fekvő területek, melyek fényvisszaverő képessége nagyobb a medencéknél. Hegységek: a hold méreteihez képest magasak, gyakran méteresek. Kráterek: a holdba csapódott égitestek nyomai. Szakadékok: feltehetően holdrengések alkalmával keletkeztek.

29 A Hold anyaga A holdkőzetek vizsgálata alapján a Hold kb. 5 milliárd éve keletkezett, a Földdel egy időben és ugyanazon a helyen. Sötét, vasban dús bazalt: a medencék felszínén. Si, Al és Ca-oxidok: elsősorban a kontinenseket fedik.

30 Árapály A Hold árapálykeltő hatása 2,2-szer nagyobb, mint a Napé.
Újholdkor és teleholdkor: szökőár. Első és utolsó negyedkor: vakár.

31 Jupiter-típusú bolygók
Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz Gyorsabb tengely körüli forgás Nagyobb tömeg Kisebb átlagsűrűség

32 Kisbolygók Az 1 km-nél nagyobb átmérőjű kisbolygók számát kb re becsülik. A legnagyobb kisbolygó (Ceres) átmérője 770 km. Főleg a Mars és a Jupiter között „helyezkednek el”.

33 Üstökösök 10 évente 2-3 üstökös figyelhető meg.
A Halley-üstökös periódusideje 76 év. (1986-ban volt megfigyelhető.)

34 Az üstökös részei Fej = mag + kóma Csóva Mag: (1-100 km)
Kóma: a magból napközelben kiszabaduló gáz és porfelhő. Csóva: a kómát a Napból kiáramló anyag (napszél) a Nappal ellentétes irányba taszítja. A csóva hossza százmillió km is lehet.

35 Meteoritok Más szóval: hullócsillag
Általában porszem vagy kavics nagyságú. Már 1 mg nagyságú meteor is látható nyomot hagy az égen. (kb. 100 km magasságban.) A Perseida meteorraj pályáján a Föld augusztus 12. körül halad át.

36 Fény és árnyék Éjszakák és nappalok A Hold fázisai Napfogyatkozás
Holdfogyatkozás

37 Tellurium 1. Az évszakok változását a Föld nap körüli keringése és tengelyének dőlése okozza. A Tellurium olyan modell, amely a Napot, a Földet, a Holdat és ezek kapcsolatait mutatja (nem méretarányosan)

38 Tellurium 2. A Föld Nappal átellenes oldalára szerelt félgömb az éjszakát reprezentálja. A kép a december 22-i állapotot mutatja. A napsugarak a déli féltekére koncentrálódnak. Ott nyár van, északon pedig tél. Az északi féltekén rövidebbek a nappalok.

39 Tellurium 3. A kép a június 21-i állapotot mutatja.
A napsugarak az északi féltekére kon-centrálódnak. Ott nyár van, délen pedig tél. Az északi féltekén hosszabbak a nappalok. Az északi sarkon 24 órás nappal van, a déli sarkon 24 órás éjszaka.

40 A Hold fázisai

41 Tellurium 4. Napfogyatkozásról beszélünk, amikor a Hold takarja el a Napot. A holdfogyatkozáshoz hasonlóan (és ugyanazon ok miatt) ez is ritka jelenség. Teljes napfogyatkozást akkor lehet megfigyelni, amikor napfogyatkozáskor a Hold az átlagosnál köze-lebb van a Földhöz s a Hold árnyékkúpja metszi a Földet.

42 Teljes Napfogyatkozás

43 Napfogyatkozás

44 Részleges Napfogyatkozás

45 Gyűrűs Napfogyatkozás

46 Tellurium 5. Holdfogyatkozásról beszélünk, amikor a Föld árnyéka vetül a Holdra. Mivel a Föld Nap körüli és a Hold Föld körüli keringésének a síkja nem esik egybe, ezért ritka jelenség, évente egy-két alkalommal fordul elő.

47 A csillagok élete Gravitációs összehúzódás: beindul a fúzió
A csillag a hidrogénjét „égeti”: (H→He) Vörös óriás állapot: He →C,O Fehér törpe állapot

48 Nagy tömegű csillagok esetén…
Ha a csillag töme: m > 1,5mNap, akkor a vörös óriás állapot után: Szupernóva Neutroncsillag Fekete lyuk

49 Szupernóvarobbanás A csillag annyira felmelegszik, hogy a periódusos rendszer összes eleme kialakul. A csillag a felesleges tömegtől a külső burok robbanásszerű szétszóródásával szabadul meg. Az égbolton megjelenő új csillag fényessége összemérhető egy egész galaxis fényességével. 3 szupernóva-robbanást figyeltek meg: 1054, 1572, 1604

50 Vörös óriás A Nap kb. 5 milliárd év múlva éri el ezt az állapotot. Ekkor valószínűleg bekebelezi a Földet. (de a Vénuszt biztosan)

51 Fehér törpe Elfogy a He, a csillag megint összehúzódik és felmelegszik. A felszíni hőmérséklet magas, de kis felülete miatt nem túl fényes. Lassan kihűl és szürke, jelentéktelen objektummá válik.

52 Neutroncsillag A szupernóva-robbanás után megmaradó csillag a gravitáció hatására összeroppan. Elegendően nagy tömeg esetén a sűrűsége olyan naggyá válik, mint az atommag sűrűsége.

53 Fekete lyuk Ha az anyag olyan sűrűvé válik, hogy a fény sem szabadulhat a csillag környezetéből, akkor beszélünk fekete lyukról. A gravitációs hatása alapján szerezhetünk tudomást létezéséről.

54 Az első kozmikus sebesség
Körsebesség V = 7,9 km/s

55 A második kozmikus sebesség
Szökési sebesség V = 11,2 km/s

56 Az első mesterséges hold

57 Az első űrhajós

58 Az első holdexpedíció

59 Az első magyar űrhajós

60 A Tejútrendszer (Galaktika)
100 milliárd csillag Átmérője: 30 kps Vastagsága: 5 kps A legközelebbi állócsillag (Proxima Centauri) távolsága 1,3 ps. Az égbolt legfényesebb csillaga, a Szíriusz távolsága 4,2 ps.

61 Spirálgalaxis A Tejútrendszer is az.
A másik nagy spirálgalaxis az Androméda-köd. Tőlünk 690 kps távolságra van. A galaxisok galaxishalmazba tömörülnek. Galaxisok száma: kb 10 milliárd

62 A Sarkcsillag és Nagy Medve

63 Szíriusz (Nagy Kutya, CMA) és Herkules

64 Vizsgálati módszerek, eszközök
Távcsövek Tükörteleszkópok Színképelemző eszközök (spektroszkópok) Rádióteleszkópok Műholdak

65 Az Ősrobbanás 15 milliárd évvel ezelőtt az Univerzum anyaga rendkívül sűrű és forró, valamint a robbanás állapotában volt( 1010 fok, p,n,e,e+,foton, neutrínó.) A robbanást követően tágulás: a sűrűség és a hőmérséklet csökken. A robbanást követő év után: a H-ből és He-ból álló gázanyagból elkezdtek kialakulni a galaxis-halmazok és a galaxisok

66 A táguló Univerzum Az extragalaxisok távolodnak. A távolodási sebesség arányos a tőlünk mért távolsággal. Bizonyíték: a vöröseltolódás. A Földet minden irányból bombázza egy 3 K hőmérsékletű rádiósugárzás. (maradványsugárzás) Az Univerzum anyagának jelenlegi H/He arányát csak a forró-Univerzum hipotézissel lehet magyarázni.