Vesmír

Na vznik vesmíru je řada teorií. Jedna z nich je označována jeko teorie "Velkého třesku". Při svém výkladu se budu držet této teoretické hypotézy. Počátek tzv. Velkého třesku se předpokládá někdy před patnácti miliardami let. Vysvětluje se tím, že došlo k ohromnému stlačení hmoty do jedné malé kuličky o průměru zlomku milimetru. Tato hmota měla velkou hustotu a její vysoká teplota vedla k výbuchu - Velkému třesku. Látka se dále rozpínala. Později se začaly shlukovat volné částice hmoty a vznikaly tak kosmická tělesa: hvězdy, planety, měsíce, komety, atd. Jak píše Carl Sagan v zajímavé publikaci Kosmos: "Kosmos obsahuje všechno, co je, co bylo a co bude".
Nastala doba vzniku obrovských hvězdných systémů zvaných galaxie, které jsou dnes na základě dosavadních poznatků základními stavebními jednotkami vesmíru. Podle vnějšího vzhledu se galaxie třídí na: eliptické, kruhové a spirální (dvouramenná, čtyřramenná, s příčkou). Teorií galaxií se zabýval Hubbel. Galaxie se sdružují do jednotlivých kup nebo skupin. Naše Galaxie je členem tzv. místní skupiny, obsahující asi 25 galaxií.
Naše Galaxie zvaná Mléčná dráha má tvar disku. Obsahuje přibižně 150 miliard hvězd. Slunce je vzdáleno necelých 30.000 svět. let od středu Galaxie. Stranou od roviny Galaxie se nachází tzv. "galaktická okna", jimiž je možný výhled do kosmického prostoru, do světa galaxií. Jiné galaxie se značně podobají naší Galaxií, jiné se od ní znašně liší hmotností a stavbou. Vesmír se neustále rozpíná. Galaxie se navzájem vzdalují, a to tím větší rychlostí, čím větší vzdálenosti je dělí. (Využití k určování vzdálenosti galaxií).
Schéma naší Galaxie.

Hvězdy jsou kosmická tělesa svítící svým vlastním světlem díky termonukleárním reakcím v jejich nitru. Většinou je hvězda tvořená plazmou. Plazma je plynná směs volně se pohybujících elektronů a (ionizovaných) atomů. Vzniká při vysokých teplotách. Hvězdy společného původu, navzájem vázaných gravitací tvoří hvězdokupy (otevřené, kulové). Naší nejbližší hvězdou po Slunci je Proxima Centauri. Neustálým hroucením neutronových hvězd vznikají černé díry. Supernova je výbuch hvězdy, při němž její svítivost stoupne až 10 miliardkrát. Stane se tak neutronovou hvězdou. Z odhozeného materiálu vznikají mlhoviny. Jestliže se hvězdě při výbuchu a její přeměně na supernovu nepodaří snížit svou hmotnost na hranici pod dvě Slunce, pak je její gravitační síla vyšší, než dokáží snést částice atomů, a dojde k jejímu zhroucení do jediného bodu - tzv. singularity. Ta pak prostor kolem sebe zakřivuje natolik, že z něj nic, a to ani světlo, nedokáže uniknout. Mlhoviny vznikající z odhozeného materiálu při hroucení hvězd, jsou útvary v mezihvězdném prostoru, tvořené plyny (H). Jejich fantastické tvary a jemné zbarvení plně vynikají na fotografiích. Patří k nejkrásnějším objektům ve vesmíru. Bílý trpaslík je zhroucená hvězda v závěrečném stadiu vývoje (velikosti jako planeta, ale hmotnosti jako Slunce, hustota 1000 kg.cm-3). Červený trpaslík je malá hvězda s nízkou teplotou. Jsou to nejméně zářící hvězdy. /Mladé hvězdy jsou modré, starší jsou žluté až červené./
V další části svého výkladu se budu zabývat naší hvězdnou, čili sluneční soustavou.
Centrálním tělesem naší sluneční soustavy je Slunce. Jedna z mnoha hvězd naší Galaxie. Gravitační pole Slunce je mnohonásobně silnější než gravitační pole Země. Gravitační zrychlení je přibližně 280 m.s-2. Úniková rychlost je 618 km.s-1. Slunce je žhavé plynné těleso. Jeho zářící povrchová vrstva se nazývá fotosféra. (t=6000K /t + To= 6273oC, To= 273K/). Jádro Slunce dosahuje teploty až 15.000.000°C. Zdrojem vyzařované energie jsou termonukleární reakce probíhající v nitru Slunce, při níž se přeměňuje H na He. (Za 1 s se přemění 0,5 miliardy tun H na He). Slunce se otočí kolem své vlastní osy za 25 dní.
Gravitační pole Slunce je centrální. Okolo něj se pohybují planety, komety, planetky, meteoridy. Součástí sluneční soustavy jsou také umělé družice, orbitální stanice, raketopány, kosmické lodě a sondy. Prostor mezi vesmírnými tělesy vyplňují meziplanetární plyny složené z elektronů, iontů, atomů a molekul. 99 % tvoří H a He. Jejich hustota je 10 částic na cm3. ( zemská atmosféra má hustotu 2,7. 1019 molekul na cm3). Podle pozemských měřítek je meziplanetární prostor dokonalé vakuum. Přesto však i nesmírně řídká meziplanetární hmota může vyvolávat nápadné jevy, mezi něž patří nejen polární záře a magnetické bouře, ale i radiační pásy Země a některých dalších planet.
Komety obíhají kolem Slunce po velmi protáhlé elipse. Kometu tvoří jádro (pevné zmrzlé těleso o několika km) obklopené řídkou atmosférou a prachem = koma. Nejpozoruhodnější částí komety je chvost, složený z plynů a prachových částic (10 - 100 km). Je to chladné těleso, ale jakmile se začne přibližovat ke Slunci, začíná se jádro zahřívat a uvolňují se z něho zmrzlé plyny, které tvoří komu. Jak se kometa dále blíží ke Slunci, objeví se její chvost. Když kometa proletí kolem Slunce mizí chvost i koma a dále se řítí zase jen špinavý ledovec. Nejznámější je Halleyova kometa, která se pravidelně vrací ke Slunci co 76 let (Naposledy r. 1986, nejdříve r. 2062), je to kometa periodická. Nejkratší dobu oběhu má kometa Enckeova (Každé 3 roky a 4 měsíce).
Meteoridy vznikají rozpadem komet. Dosahují velikosti od miliontiny mm až po 100m skály. Jakmile se meteorid dostane do atmosféry, rychle se zbrzdí, jeho pohybová energie se při tření o ovzduší změní z větší části na teplo a světlo a na obloze se objeví meteor (hořící meteorid). Meteory o váze několika kilogramů, které dopadnou na zem nazýváme meteority.
Planetky obíhají kolem Slunce a také kolem svých vlastních os v širokém pruhu mezi trajektorii Marsu a Jupitera. Jsou to skalnaté útvary, které svádí k představě, že kdysi mezi Marsem a Jupiterem existovala planeta, která se později z neznámých důvodů roztrhla na kusy. Největší planetkou je Ceres (d = 955km). Celkový počet dnes známých planetek se odhaduje na 100.000. (Např.:Pallas, Juno ,Vesta).
Planety. Kolem Slunce obíhá nám dosud známých 9 planet. (Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun, Pluto). Za dobrých podmínek je možno ze Země vidět 5 planet kromě Země. Planety se dělí na terestrické (s kamenným jádrem) - Merkur, Venuše, Země, Mars, Pluto. A planety plynné - Jupiter, Saturn, Uran, Neptun. Jiné dělení planet: zemského typu (Merkur, Venuše, Mars) a obří planety: (Jupiter, Saturn, Uran, Neptun).
Merkur je nejblíže Slunci. Má vlastní magnetické pole. Velmi řídká atmosféra. Jádro je složeno převážně ze železa. Poznatky o ní jsme získali díky sondě Mariner 10. Teplota strany nakloněné ke Slunci je 400°C, odvrácené asi -200°C. Nemá žádný měsíc. (Potvrzuje správnost teorie relativity).
Venuše nejvíce podobná Zemi (velikostí, hmotností). Hustá atmosféra, která rotuje o 20 % rychleji než její pevný povrch = superrotace. Po Měsíci a Slunci je třetím nejjasnějším objektem oblohy pozorovaným ze Země. Teplota dosahuje 480°C v noci i ve dne. Údaje o ni zjistily sondy Mariner a Venera. Nemá měsíce.
Země, kterou mezi planety definitivně zařadil až Mikuláš Koperník v 16. st. skýtá příznivé podmínky pro život díky své teplotě, atmosféře, přiměřené gravitaci a magnetickému poli. Obíhá kolem ní jeden měsíc o jehož původu je také více teorií (viz zeměpis). Měsíc je nejvzdálenější těleso, na kterém spočinula lidská noha (Američan Niel Amstrong). Již v minulém století se stalo běžným, že člověk žije i pracuje v kosmických lodích a v orbitálních stanicích, které obíhají kolem naší Země. Prvním člověkem, který překonal zemskou přitažlivost byl Rus Jurij Gagarin. Zástupcem třetí země ve vesmíru byl Čech Vladimír Remek.
Mars má načervenalou barvu (oxidy železa). Den je přibližně stejně dlouhý jako na Zemi. Střídají se roční období. Má nejnižší hustotu ze všech planet zemského typu. Nachází se na něm nejvyšší sopka sluneční soustavy, zvaná Olympus (24.000 m). Teplota kolísá od 15 do -50°C. Zkoumají ho sondy Mariner a Viking. Má dva měsíce: Phobos a Deimos.
Jupiter je největší a nejhmotnější planeta sluneční soustavy. Výjimečným útvarem je tzv. Velká rudá skvrna (tenká vrstva atmosféry). Má magnetické pole, malé kamenné jádro a nejrychlejší rotaci 9,84 h. Teplota se pohybuje od -140 až k 0°C. Obíhá kolem něj 16 měsíců: Adrastea, Metis, Amalthea, Thebe, Io, Europa, Ganymed, Kallisto, Leda, Himalia, Elara, Lysithea, Ananke, Carme, Pasiphae, Sinope. Částice hmoty přitahované gravitací (způsobeno rotací) vytváří kolem Jupitera jeho charakteristický prstenec.
Saturn má nejnižší hustotu (0,69g.cm-3) a ve vodě by plaval, hodně prstenců i magnetické pole. Zkoumala jej výzkumná sonda Voyager . Teplota asi -130°C. Připoutal k sobě asi 24 měsíců: např.: Atlas, Janus, Epimetheus, Mimas, Enceladus, Tethys, Dione, Rhea, Titan, Hyperion, Japetus, Phoebe.
Uran (roku 1781 objevil Herschel). Má silné magnetické pole, prstence a asi 15 měsíců: Miranda, Ariel, Umbriel, Tetania, Oberon, 1986 U7, aj. Zkoumal ho Voyager. Teplota při povrchu je asi -210°C.
Neptun největší hustotu. Povrchová teplota je -220°C. 2 měsíce: Triton a Nereida.
Pluto leží na okraji sluneční soustavy. Roku 1930 ji objevil Tombaugh. Dráha Pluta je nejvíce odlišná od kružnice všech planet slun. soustavy. Krouží kolem Slunce po velmi eliptické dráze, a tak se stalo, že v letech 1979 až 1999 byla tato planeta blíže ke slunce než Neptun. Pluto oběhne Slunce za čtvrt tisíciletí (248 let). Teplota dosahuje -225°C. Skládá se z kamenného jádra, zmrzlého metanu a metanové atmosféry. Dosud nebylo prozkoumáno žádnou sondou. Jeho jediný měsíc se jmenuje Charon (sonda ?).
Názory na vesmír se vyvýjely postupně s úrovní poznání jednotlivých civilizací. Rozvoj astronomie nejvíce v počátcích ovlivnily matematika a mořeplavba.
V minulosti dominoval názor na uspořádání vesmíru geocentrický. Říká, že středem vesmíru je Země a kolem ní se točí vše ostatní a to i Slunce. Později se ukázalo, že tento názor nenasvědčuje skutečnosti. V 16. st. přišel polský hvězdář M. Koperník s heliocentrickým uspořádáním vesmíru. Slunce je středem vesmíru. (S heliocentrismem přišel již r.260 př. n. l. astronom Aristarchos). Jeho názory byly velmi zjednodušené a neodpovídaly skutečnosti. Na tehdejší dobu byly však převratné. (Roční pohyb oblohy je zdánlivý a je důsledkem oběhu Země kolem Slunce. Denní pohyb oblohy je rovněž zdánlivý a vzniká v důsledku rotace Země
kolem její osy). Na názory Koperníkovy navázali Tycho de Brahe a Johannes Kepler, který na základě přesných výpočtů vyslovil tři zákony o pohybu planet. Keplerovy zákony popisují pohyb planet jen z hlediska kinematiky (jak se pohybují). Příčiny pohybu planet vysvětlil až Isaac Newton v gravitačním zákonu.
1. KEPLERŮV ZÁKON popisuje tvar trajektorie planet:
Planety se pohybují kolem Slunce po elipsách málo odlišných od kružnic, v jejichž společném ohnisku je Slunce.
Elipsa je množina bodů, které mají od dvou daných bodů ohnisek F1, F2 stálý součet vzdáleností.

Jak moc se liší eliptická trajektorie planety od kružnice, vyjadřuje veličina zvaná číselná výstřednost e = SF/a (bezrozměrné číslo). Poněvadž se eliptické trajektorie planet liší málo od kružnic, je výstřednost většiny planet poměrně malá. Např. výstřednost Země je 0,0167. Největší výstřednost má planeta Pluto 0,247. Vrchol elipsy P, v němž je planeta Slunci nejblíže se nazývá perihélium neboli přísluní, vrchol A, v němž je planeta od Slunce nejdále afélium neboli odsluní. (Země prochází periheliem v lednu, aféliem v červenci. Proto je na severní polokouli zimní půlrok kratší 179 dní než půlrok letní 186 dní).

2.KEPLERŮV ZÁKON vysvětluje jak se planety pohybují.
Obsahy ploch opsaných průvodičem planety za jednotku času jsou konstantní.
Průvodič planety je úsečka spojující střed planety se středem Slunce. Při pohybu planety se délka a směr průvodiče neustále mění, ale obsahy ploch, které průvodič opíše za stejné doby jsou stejné.
Pohyb planety po eliptické trajektorii je nerovnoměrný. Velikost okamžité rychlosti v je
vp > v > va.

3.KEPLERŮV ZÁKON uvádí vztah mezi oběžnými dobami planet a hlavními poloosami jejich trajektorií.
Poměr druhých mocnin oběžných dob dvou planet se rovná poměru třetích mocnin hlavních poloos jejich trajektorií.

T1, T2.....oběžné doby dvou planet
a1, a2.......délky hlavních poloos

Zákon platí přesně za předpokladu, že hmotnosti planet jsou zanedbatelně malé vzhledem k hmotnosti Slunce, což je u všech planet sluneční soustavy splněno.
Považujeme-li trajektorie planet za kružnice, můžeme 3. Keplerův zákon zapsat ve tvaru
r1, r2.....střední vzdálenosti planet od Slunce
(viz MFCHT)

Střední vzdálenost Země od Slunce: r = 150 mil. km (149,6.106 km) = Astronomická jednotka. Značí se AU (Střední vzdálenosti ostatních planet jsou uvedeny v MFCHT).
Keplerovy zákony platí nejen pro pohyby planet, ale obecně pro každou soustavu těles, za předpokladu, že jedno z těles má mnohonásobně vyšší hmotnost, než těleso obíhající kolem něj. Platí proto také pro soustavu umělých družic Země nebo pro soustavu měsíců obíhajících kolem Jupiteru.

Použitá literatura:
Obrazy z hlubin vesmíru - A.Rükl
Kosmos - Carl Sagan
Dobrodružství vědy (Prostor) - R. Snedden
Vesmírní sousedé naší planety - Z. Kopal
Přehled astronomie - O. Hlad a J. Pavlousek
Vesmír jistot a otazníků - O. Hlad a J. Pavlousek
Okna vesmíru dokořán - J. Grygar a V. Železný
Slunce, Měsíc, hvězdy - B. Herrmann
Planety naší sluneční soustavy - P. Koubský
Fyzika pro gymnázia - M. Široká a M. Bednařík
Malý encyklopedický slovník od A do Ž - kolektiv autorů
MFCHT pro základní a střední školy - F. Běloun a J. Mikulčák