Nekateri astronomski mejniki 20. stoletja

1. Astronomsko društvo Vega Nekateri astronomski mejniki 20. stoletja predstavitev za skupino Repatice in kometi Gregor Vertačnik Ljubljana, oktober 2011

2. Kazalo • Einsteinovi teoriji relativnosti • Hertzsprung-Russellov diagram • Hubblov zakon • Veliki pok • Radijska astronomija • Jedrske reakcije v zvezdah • Vesoljski poleti • Kvazar • Mikrovalovno sevanje ozadja • Pulzar • Hubblov teleskop • Ekstrasolarni planeti

3. Einsteinovi teoriji relativnosti • Einsteinovi posebna (1905) in splošna (1915 oz. 1916) teoriji relativnosti • prva uporaba besedne zveze: Alfred Bucherer, 1906 • “nadgradnja” Newtonove klasične mehanike • 4D prostorčas, vse dimenzije relativne Oče obeh teorij relativnost – Albert Einstein. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Einstein

4. posebna teorija relativnosti: • zakoni fizike so enaki za vse opazovalce, ki se medsebojno enakomerno premikajo • hitrost svetlobe v vakuum je vedno enaka ne glede na premikanje opazovalcev in vira svetlobe (c) • neposredni učinki obeh postulatov: • sočasna dogodka za enega opazovalca nista nujno sočasna za drugega • počasnejše tiktakanje ure za hitreje premikajočega se opazovalca • skrajšanje dolžin • energija in masa sta ekvivalentni (E = m c2) • noben objekt, sporočilo ali silnica ne more preseči hitrosti c STR omejuje območje soodvisnosti dogodkov. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Special_relativity

5. splošna teorija relativnosti vključuje gravitacijo in njen vpliv na prostorčas: • pospešeno gibanje in stanje v gravitacijskem polju sta ekvivalentna • ure tečejo počasneje v gravitacijskem polju • precesija tirnic • ukrivitev svetlobnega žarka • vrtinčenje prostorčasa okrog vrtečih se objektov • vesolje se razširja Simulacija ukrivljanja prostorčasa okrog črne luknje. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/General_relativity

6. velikega pomena v svetu osnovnih delcev, kozmologije in astrofizike: • nevtronske zvezde • črne luknje • gravitacijski valovi • do 1960 velike težave z razumevanjem STR zaradi zapletene matematične obravnave Prva slika nevtronske zvezde v vidni svetlobi. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_star

7. Hertzsprung-Russellov diagram • Ejnar Hertzsprung in Henry Norris Russell, okoli 1910 • diagram absolutne magnitude/izseva zvezd v odvisnosti od spektralnega tipa/površinske temperature • empirični prikaz evolucije zvezd: • glavna veja (zlivanje vodika v jedru zvezde) • vodoravne veje orjakinj (zlivanje helija) • sprva napačna interpretacija evolucije zvezd (gravitacijsko krčenje, model jedrskega zlivanja šele v 30. letih 20. stol.) • metoda za določanje oddaljenosti kopic Zvezdna kopica Gostosevci. Avtorske pravice: NASA/ESA/AURA/Caltech , vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Pleiades

8. Shematski prikaz Hertzsprung-Russellovega diagrama. Vir: http://www.le.ac.uk/ph/faulkes/web/stars/o_st_overview.html

9. Hubblov zakon • Alexander Friedmann, 1922 in Georges Lemaitre, 1927 (oba s splošno teorijo relativnosti) in Edwin Hubble, 1929 (empirično) • širjenje vesolja: • oddaljevanje objektov sorazmerno z njihovo razdaljo • bistveno na večjih vesoljskih razdaljah • Hubble določil zakon empirično, na podlagi svojih opazovanj, opazovanj Vesta Shliperja in Miltona Humasona – rdeči premik 46 galaksij Edwin Hubble. Vir: http://www.wwu.edu/depts/skywise/hubble.html

10. argument v prid teoriji Velikega poka • Hubblova konstanta dandanes okoli 70 km/s/Mpc • zlasti meritve eksplozij supernov tipa Ia kažejo, da se vesolje pospešeno širi Shematski prikaz razvoja vesolja. Avtorske pravice: NASA/WMAP Science Team

11. Veliki pok • ideja: Georges Lemaître, Hipoteza o prvotnem atomu, 1931 • izraz: Fred Hoyle v radijski oddaji, 1949 • Lemaîtrova ideja izhaja iz Einsteinove splošne teorije relativnosti in predpostavk o homogenem in izotropnem vesolju (izpeljal že Friedmann, 1924) • eksplozija prostorčasa • prvi empirični dokaz Hubblov zakon • meritve potrjujejo teoretične napovedi nastajanja kemičnih elementov v mladem vesolju • po odkritju kozmičnega sevanja ozadja l. 1964 prevladujoča teorija zgodnjega razvoja vesolja • Veliki pok se je zgodil 13,7 milijarde let nazaj Georges Lemaître. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Georges_Lema%C3%AEtre

12. Radijska astronomija • Karl Jansky, radijski valovi iz Rimske ceste, 1933 • odkritje šuma s periodo 23h56m v čezatlantski radijski zvezi • po posvetovanju z astrofizikom Skelettom in uporabo astronomske karte ugotovil, da šum izhaja iz središča Galaksije • James S. Hey l. 1942 odkril radijske valove s Sonca Karl Guthe Jansky. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Karl_Guthe_Jansky

13. najpomembnejše odkritje v radioastronomiji: kozmično sevanje ozadja, 1964 • radijski teleskopi so velike antene • pogosta uporaba radijskih interferometrov, velika ločljivost Sistem radijskih teleskopov Very Large Array v Novi Mehiki (ZDA). Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Radio_telescope

14. Jedrske reakcije v zvezdah • ideja: Arthur Eddington, 1920, zlivanje vodika v helij • verjetnost za jedrsko reakcijo (odbojna elektrostatska vs. močna jedrska sila), George Gamow, 1928 • reakcija ogljik-kisik-dušik (masivnejše zvezde), Carl von Weizsaecker, 1938: • združitev štirih vodikovih jeder v helijovo • ogljik, kisik ali dušik kot katalizator Hans Bethe. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Hans_Bethe

15. reakcija proton-proton (Soncu podobne in lažje zvezde), Hans Bethe, 1939: • dve vodikovi jedri v devterij (en proton se spremeni v nevtron) • devterij in proton se zlijeta v jedro helija 3 • štiri poti od helija 3 do helija 4 • 0,7 % mase se pretvori v energijo • odmeven članek o nastanku težjih elementov, Burbidge, Burbidge, Fowler in Hoyle, 1957 • Bethe dobitnik Nobelove nagrade za fiziko l. 1967 Reakcija proton-proton. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Proton-proton_chain

16. Vesoljski poleti • oče izvedljive ideje: Konstantin Ciolkovski, 1903 (Odkrivanje vesoljskih prostranstev s pomočjo reakcijskih naprav) • Robert H. Goddard, 1919 (Metoda za doseganje izjemnih višin), Lavalova šoba • Herman Potočnik Noordung (Problem potovanja po vesolju, 1929) • V-2 l. 1944 dosegla višino 100 km • 4. 10. 1957 SZ izstrelila Sputnik 1 Potočnikova skica vesoljske ladje. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Herman_Poto%C4%8Dnik

17. 12. 4. 1961 Jurij Gagarin prvi človek v vesolju (en obhod okrog Zemlje v Vostoku 1) • prvi pristanek vesoljske sonde na drugem planetu: Venera 3, 1. 3. 1966 • 20. 7. 1969 prvi pristanek človeka na Luni • prva vesoljska postaja: Salyut 1, 19. 4. 1971 • 12. 4. 1981 prvi polet Vesoljskega čolnička, zadnji 2011 Izstrelitev Vesoljskega čolnička Discovery. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Space_shuttle

18. Kvazar • oče ideje o črni luknji na podlagi relativnostne teorije: Karl Schwarzschild, 1916 • kvazar (“quasi-stellar radio source”): • odkritje konec 50. let 20. stol. v obliki radijskih izvorov • Maarten Schmidt l. 1963 izmeril izjemno oddaljenost kvazarja 3C 273 • zelo energetsko aktivno galaktično jedro, svetleč akrecijski disk okrog masivne črne luknje • do tisočkrat svetlejši od Galaksije, sorazmerno majhen objekt (reda Osončja) Posnetek zelo oddaljenega kvazarja z vsaj 1 milijon let dolgim repom v rentgenski svetlobi. Vir: http://chandra.harvard.edu/photo/2002/1127/index.html

19. Mikrovalovno sevanje ozadja • l. 1941 je McKellar izmeril temperaturo ozadja (2,3 K) • kozmično sevanje ozadja so l. 1948 napovedali Gamow, Alpher in Herman • Arno Allan Penzias in Robert Woodrow Wilson sta l. 1964 nedvoumno odkrila mikrovalovno sevanje kot stalen in vsepovsod prisoten šum pri valovni dolžini 7,35 cm • L. 1978 sta Penzias in Wilson prejela Nobelovo nagrado za fiziko Penzias in Wilson pred slavno radijsko anteno. Vir: http://bustard.phys.nd.edu/Phys171/lectures/cmbr.html

20. 23. aprila 1992 so znanstveniki predstavili analizo meritev satelita COBE in izmerjeno anizotropijo v temperaturi sevanja • na podlagi meritev satelita COBE (spekter, anizotropija) sta J. C. Mather in G. F. Smoot l. 2006 prejela Nobelovo nagrado za fiziko • kozmično mikrovalovno sevanje ozadja je elektromagnetno sevanje, ki zapolnjuje vse vesolje in izhaja iz nekaj stotisoč let starega vesolja • valovna dolžina sevanja se je povečala, danes vidno kot sevanje črnega telesa pri 2,7 K (vrh sevanja pri 1,9 mm) • sevanje skoraj enakomerno iz vseh smeri, odstopanja v temperaturi reda 1/100.000 potrjujejo napoved teorije velikega poka • pomembno za vrednotenje kozmoloških modelov Meritve KMSO s satelitom WMAP. Avtor: NASA / WMAP Science Team, vir: http://wmap.gsfc.nasa.gov/media/101080/

21. Pulzar • ideja za nevtronsko zvezdo: Walter Baade in Fritz Zwicky, 1934 (odkritje nevtrona leto prej) • odkritje pulzarja: Jocelyn Bell Burnell in Antony Hewish, 1967 • pulzar: • okrajšava za “pulsating star” • močno namagnetena nevtronska zvezda premera ~20 km • hitro vrteč (1 ms-10 s) zaradi ohranitve vrtilne količine sesedlega jedra masivne zvezde • seva močna elektromagnetna snopa vzdolž magnetne osi Shematski prikaz pulzarja. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Pulsar

22. za odkritje pulzarja je Hewish l. 1974 prejel Nobelovo nagrado za fiziko • odkritje dvozvezdja pulzar-nevtronska zvezda z vse manjšo orbito: • potrditev gravitacijskih valov in Einsteinove splošne teorije relativnosti • leta 1993 Nobelova nagrada za odkritje tega pulzarja

23. Hubblov vesoljski teleskop • prva ideja o vesoljskem teleskopu: Hermann Oberth, 1923 • astrofizik Lyman Spitzer ml. l .1946 objavil članek, v katerem je predlagal izgradnjo vesoljskega teleskopa • NASIN program Large Space Telescope odobren 1969, kasneje se je okleščenemu projektu pridružila ESA • prva izstrelitev predvidena že oktobra 1986, a preložena zaradi nesreče s Challengerjem • v tirnico okrog Zemlje izstreljen 24. 4. 1990 z Vesoljskim čolničkom Discovery Hubblov vesoljski teleskop. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope

24. reflektor tipa Cassegrain, zrcalo premera 240 cm • 569 km nad tlemi, obhod v 97 minutah (8 km/s) • več inštrumentov, ki merijo v različnih valovnih dolžinah • sprva neostre slike zaradi sferične aberacije glavnega zrcala • od popravila (sistem korekcijskih leč COSTAR) decembra 1993 teleskop nepogrešljiv pri raziskovanju vesolja • pripomogel k številnim odkritjem in bistveno izboljšal poznavanje vesolja (starost, kvazarje, temno energijo …) • doslej je izšlo več kot 6.000 znanstvenih člankov, ki temeljijo na podatkih HST Stebri stvarjenja – ena najlepših Hubblovih slik. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope

25. Ekstrasolarni planeti • že Bruno in Newton špekulirala o obstoju planetov okrog drugih zvezd • od 1855 dalje več “lažnih” odkritij • negotovo odkritje planeta okrog Game Kefeja l. 1988 (Bruce Campbell, G. A. H. Walker in S. Yang; dokončno potrjeno l. 2003) • prvo odkritje planetov okrog pulzarja l. 1992 (Aleksander Wolszczan in Dale Frail) • prvo odkritje planeta okrog običajne zvezde l. 1995 (51 Pegaz b, Michel Mayor in Didier Queloz) Umetniška predstavitev lunarnega sistema okrog planeta Ipsilon Andromeda d. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Extrasolar_planet

26. metode: • dopplerjeva metoda (radialna hitrost zvezde prek spektralnih črt) • navidezni prehod planeta prek zvezde (tudi nepravilnosti v prehodih) • gravitacijsko mikrolečenje (sprememba mikrolečenja zaradi spreminjanja položaja zvezde) • neposredno slikanje • … Meritve radialne hitrosti zvezde Pegaz 51. Vir: exoplanets.org Slika treh planetov okoli zvezde HR 8799. Avtorji: NRC-HIA, IDPS, Keck, vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Extrasolar_planet

27. trenutno (do 19. 10. 2011) znanih 694 takšnih objektov: • večina velikostnega reda Jupitra in zelo blizu zvezd spektralnih tipov F, G in K • odkrivanje Zemlji podobnih planetov zelo težavno zaradi majhnosti • dva z možnostjo obstoja življenja • spektroskopske meritve omogočajo ugotavljanje sestave ozračja (voda, natrij, metan, ogljikov dioksid) • lun okrog tega planetov še niso odkrili • vesoljski teleskop Kepler našel še več kot 1000 novih kandidatov • po meritvah satelita Kepler vsaj 50 milijard planetov v Galaksiji • več kot polovica Soncu podobnih zvezd gosti planete • še veliko več znanja bo prinesla misija Gaia (marec 2013) Shema satelita Kepler. Vir: http://kepler.nasa.gov/Mission/QuickGuide/

28. Viri in literatura • http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_astronomy • http://www.public.asu.edu/~warrenve/s20_ast.html • http://www.britannica.com/EBchecked/topic/407602/nebula/61220/20th-century-discoveries • http://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device • http://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_scientific_discoveries • http://en.wikipedia.org/wiki/Hertzsprung%E2%80%93Russell_diagram • http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble%27s_law • http://en.wikipedia.org/wiki/Big_bang • http://en.wikipedia.org/wiki/Spaceflight • http://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background_radiation • http://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device • http://hubblesite.org • http://www.jwst.nasa.gov/ • http://en.wikipedia.org/wiki/Extrasolar_planet • http://en.wikipedia.org/wiki/Stellar_nucleosynthesis • http://en.wikipedia.org/wiki/CNO_cycle • http://en.wikipedia.org/wiki/Proton-proton_chain • http://en.wikipedia.org/wiki/Relativity_theory • http://en.wikipedia.org/wiki/Pulsar • http://en.wikipedia.org/wiki/Quasar • http://en.wikipedia.org/wiki/General_relativity • http://en.wikipedia.org/wiki/Special_relativity • http://en.wikipedia.org/wiki/Venera_3 • http://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_planetary_exploration • http://kepler.nasa.gov/