Asztrofizika

Fizika 11.

Csillagászat

2020. január 28.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 1 / 29

Tartalomjegyzék

1 A csillagászat története

Babilónia

Kína és Közép-Amerika

Ókori görögök

Kopernikusz

Tycho Brahe

Johannes Kepler2 Helyünk a Világegyetemben

A Föld jellemzői

Égitestek a Naprendszerben

Tejútrendszer

Galaxiscsoportok

Szuperhalmazok3 Az Univerzum élete

A csillagok élete

A Világegyetem múltja

Az Ősrobbanás4 Irodalomjegyzék

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 2 / 29

A csillagászat története Babilónia

A csillagászat története: Ókor

1. Babilónia

Anu ősatya és Ki földistennőegységes létezését Enlil fiukrézkéssel választotta szét, ezaz égbolt pereme. A bolygókistenek, tüzes szekéren.

Az égboltot 12 függőlegessávra osztották, bevezették azállatövi jegy fogalmát.

A 24 órás nap és a 60 percesóra is tőlük származik.

Ismerték a nap- ésholdfogyatkozásokat.

1. ábra. Az eget egy sátornaktekintették, melyen lámpásokvilágítanak, ezek a csillagok.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 3 / 29

A csillagászat története Kína és Közép-Amerika

A csillagászat története: Ókor

2. Kína:Ki tudták számítani afogyatkozások időpontját.A Földet gömbölyűnek és aVilágmindenséget végtelennektekintették.

3. Közép-Amerika:Naptárkészítésről nevezetesek.Kin – 1 napTun – 1 maja év (360 nap)Baktun – 400 tunPictun – 20 baktun

2. ábra. Ókori ábrázolás a kínaicsillagképekről. A csillagászok acsászár szolgálatában álltak.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 4 / 29

A csillagászat története Ókori görögök

A csillagászat története: Ókor

4. Ókori görögök:Arisztarkhosz meghatározta aHold és a Nap relatív méreteités a tőlük mért távolságot.Eratosztenész meghatározta aFöld kerületét.Ptolemaiosz a II. századbanmegalkotta a geocentrikusvilágképet, melyben a Földközépen van és mozdulatlan,körülötte a kristályszférákbana bolygók, melyek egymásongördülő körökön mozognak.

3. ábra. A geocentrikus világképben abolygók epiciklusokon mozognak(összesen 40 db), a csillagokmozdulatlanok, mert látszólagosméretük és fényességük változatlan.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 5 / 29

A csillagászat története Kopernikusz

A csillagászat története: Újkor

5. Kopernikusz (1473 - 1543)

Arisztarkhosz munkájátmegismerve úgy gondolta,hogy a Nap sokkal nagyobb,mint a Föld, valamint a Napkörül mozognak az égitestek.

Tökéletes köröket és 48epiciklust használt.

Andreas Osiander lutheránuspapot bízta meg Nürnbergbenirásának kiadásával, aki azelőszóban az egészet egyhipotézisnek állította be.

4. ábra. Kopernikusz általmegalkotott heliocentrikus világkép.Pontatlanabb volt a geocentrikusnál,de matematikailag egyszerűbbé tettea mozgások leírását a Napot középrehelyezve.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 6 / 29

A csillagászat története Tycho Brahe

A csillagászat története: Újkor

6. Tycho Brahe (1546-1601)

Dániában született, 20 évenát pontos méréseket végzett abolygók állásáról.

Szerinte a Föld áll, ez amindenség középpontja,körülötte kering a Hold és aNap, utóbbi körül mozogminden más.

1597-ben Rudolf császárudvari csillagásza lett,asszisztense volt Kepler.

5. ábra. Tycho Brahe szupernóva ésüstökös észleléseiből következtetett,hogy a bolygók között nincsekenhéjak és a külső világ is változhat.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 7 / 29

A csillagászat története Johannes Kepler

A csillagászat története: Újkor

7. Kepler (1571-1630)

Naptárakat, jóslatokat készített,1600-ban Brahe asszisztense lett.

Brahe halála után az adatokatújraszámolta a Nap körülirendszerben.

1609-ben megtalálta a jópályagörbét. Igazolta azt is,hogy napközelben a bolygókgyorsabbak. (I. és II. törvény)

1615-ben felírta a III. törvényt:

a3

T 2= állandó

6. ábra. Johannes Kepler jött rá,hogy a bolygók nem kör, hanemellipszis alakú pályákon mozognak.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 8 / 29

Helyünk a Világegyetemben A Föld jellemzői

A Föld jellemzői

1. A Föld alakja és mérete

Jó közelítés a gömb

Forgási ellipszoid

Geoid: elméleti földalak

Egyenlítői sugár: 6378,1370 km

Sarki sugár: 6356,7523 km

2. A Föld forgása:

A Föld forog, vagy az égbolt?

Kinematikailag mindegy, dedinamikailag nem.

7. ábra. Léon Foucault franciafizikus fejlesztett ki, az ingát, mely aFöldön maradva bizonyítja a forgást.Úgy is tekinthető, hogy a Föld fordulel a lengő inga alatt.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 9 / 29

Helyünk a Világegyetemben Égitestek a Naprendszerben

Égitestek a Naprendszerben

3. Égitestek osztályozása

Csillag: nukleáris folyamatbanenergiát termel, van saját fénye.

Fő planetáris test: csillag körülkeringenek, tömegük kisebb13MJ -nél. Nincs saját fényük.

I Bolygó: közel gömb alakú,kitakarította a pályájakörnyezetét. D > 800 km

I Törpebolygó: közel gömbalakú és nem takarította kikörnyezetét. D < 800 km

Hold: Más planetáris test körülkering, közös TKP a másikban.

8. ábra. A Naprendszer relatívméretei. A teljes impulzusmomentum99,5%-a a teljes tömeg 0,2%-át kitevõbolygókban van. A valós relatívtávolságok a fenti képen nem valósak.A Naphoz közelebb vannak akőzetbolygók, távolabb a gázbolygók.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 10 / 29

Helyünk a Világegyetemben Égitestek a Naprendszerben

A Naprendszer

Kisbolygó: D > 1 km.I Aszteroida: kőzetből áll.I Üstökös: jégből áll,

megközelíti a Napot.Főleg két övben helyezkednek el:

I Aszteroida-öv: a ∼ 2-4 AU.Ceres és 105 aszteroida.

I Kuiper-öv: a ∼ 40-100 AU.Pluto–Charon kettőstörpebolygó, 103 kisbolygó.

Meteoroid: 0, 1 mm–1 kmátmérőjű naprendszerbeli test;légkörben meteor, lent metorit.

Kozmikus bolygóközi por.

9. ábra. A Naprendszerben emberiszemmel nézve ritkán helyezkednek ela kisbolygók az aszteroidaövekben.Évtizedeket kellene várni, hogymeglássunk egy kisbolygót a másikról.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 11 / 29

Helyünk a Világegyetemben Tejútrendszer

Tejútrendszer

4. A Naprendszer helye

Immanuel Kant (1724-1804)és William Herschel(1738-1822) vetette fel, hogya Tejút halvány csillagokbóláll, 2-3 kps méretű korong, aközepén lehetünk.

Shapley 1916-ban igazolta,hogy kb. 30 kps átmérőjű éskifelé vagyunk félúton.

A korábbi téves kép oka acsillagközi por fényelnyelése.

10. ábra. Kb. 100-400 milliárdcsillag van a Tejútrendszerben. ANap az ún. Orion karon található.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 12 / 29

Helyünk a Világegyetemben Galaxiscsoportok

Galaxiscsoportok

5. A Tejútrendszeren kívül

1920-ban a Shapley-Curtisvitában az a kérdés léteznek-ea Tejúton (görögül Galaxis)kívül további galaxisok.

1923-ban Hubble azAndroméda-ködben észleltegy csillagot 750 kpc-re.

A galaxisok általában iscsoportokba rendeződnek,gravitációsan kötöttek.

11. ábra. A Tejút, az Androméda-galaxis és a szomszédos kb. 30 galaxisalkotja a Lokális csoportot.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 13 / 29

Helyünk a Világegyetemben Szuperhalmazok

Szuperhalmazok

6. A szuperhalmazok

Három vagy többgalaxiscsoportból áll össze,kb. 10 millió létezhet belőle.Ez az elméletileg lehetséges,és az eddigi megfigyelésekszerint is legnagyobbstruktúra az Univerzumban.A Lokális csoport része az 520millió fényév átmérőjűLaniakea1 szuperhalmaznak.

12. ábra. A Laniakea és a veleszomszédos Perseus–Pisces-szuperhalmaz. További közeliszuperhalmazok: a Shapley-, aHercules- és a Coma-szuperhalmaz.

1A Laniakea hawaii nyelven azt jelenti: „mérhetetlenül hatalmas égbolt”.Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 14 / 29

Az Univerzum élete A csillagok élete

A csillagok élete

1. A csillagok keletkezése

A csillagközi por- ésgázfelhőiből2 keletkeznek,annak gravitációsösszehúzódása révén.

A gravitációs erő pozitívelőjelű munkát végez, arészecskék mozgási energiájátnöveli az összehúzódás.

Ez nagyobb hőmérsékletetjelent, az anyag felforrósodik.

13. ábra. Kis kezdeti tömeg eseténlehet csak egy gázbolygó keletkezik,de megfelelő tömegnél annyirafelmelegedhet, hogy beindul a fúzió.

2Általában 75% hidrogén és 25% hélium.Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 15 / 29

Az Univerzum élete A csillagok élete

A csillagok élete

2. Energiatermelés

Proton-proton ciklus:1H+ 1H −−→ 2H+ e+ + ν2H+ 1H −−→ 3He + γ3He + 3He −−→ 4He + 1H+ 1H

CNO ciklus12C+ 1H −−→ 13N+ γ

−−→ 13C+ e+ + ν13C+ 1H −−→ 14N+ γ14N+ 1H −−→ 15O+ γ

−−→ 15N+ e+ + ν15N+ 1H −−→ 12C+ 4He

14. ábra. A csillagok belsejében ahidrogén héliummá fúzionál, közbenenergia szabadul fel. A reakciókhatékonysága függ a hőmérséklettől.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 16 / 29

Az Univerzum élete A csillagok élete

A csillagok élete

3. A csillagok osztályozása

A csillagok változatosak, denem akármilyenek.

Születés után a fősorozatrakerülnek, bennük a hidrogénhéliummá fúzionál.

Nem mozognak először adiagramon, de a kezdetitömegtől függően többirányba is elindulhatnak.

15. ábra. A Hertzsprung–Russell-diagramon balra a hőmérséklet, mígfelfelé a fényintenzitás nő. A jobbfelső sarok felé a méret, a bal felsősarok felé a tömeg nő.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 17 / 29

Az Univerzum élete A csillagok élete

3. A csillagok osztályozása: Vörös törpék

a.) Vörös törpék

A fősorozat legkisebb tömegűcsillagai: 7, 5− 50%M�Tfelszín = 2500− 4000 K

Tmag = 3− 5 millió K

Lassan égeti az üzemanyagát,1010 − 1012 évig él. A gravitációta sugárnyomás ellensúlyozza.

A hidrogén a külső részrőlbeáramlik a magba, a héliumkívülre kerül, szinte az összeshidrogént elfogyasztja.

16. ábra. A két hozzánk legközelebbicsillag: a Nap3 és a ProximaCentauri, ez utóbbi egy vörös törpe.A HRD jobb alsó részén találhatók.

3A Nap 5800 K felszíni hőmérsékletű, míg a magja 15,7 millió K.Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 18 / 29

Az Univerzum élete A csillagok élete

3. A csillagok osztályozása: Nap-típusú csillagok

b.) Nap-típusú csillagok

A fősorozat közepe: 0, 5− 8M�A magban sok lesz a hélium, areakciók lassulnak, a csillagösszehúzódik. Ismét felmelegszikés beindul a tripla-α folyamat:4He + 4He←−→ 8Be8Be + 4He −−→ 12C+ γ

Akár 100-szorosra növekszik ésvörös óriás lesz. Ekkor ellökhetimagától anyaga egy részét.

17. ábra. A Napból 7,59 milliárd évmúlva vörös óriás lesz és a Vénuszt,vagy akár a Földet is bekebelezheti.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 19 / 29

Az Univerzum élete A csillagok élete

3. A csillagok osztályozása: Nap-típusú csillagok

Egy vörös óriás nagyszéntartalmú magja fehértörpeként él tovább.

Nincs fúzió, a sugárnyomáshelyett a Pauli-taszításellensúlyozza a gravitációt.

Ha elegendő a tömeg, vagytömeget szerez, akkor felrobbanés vas (vagy hasonló rendszámú)elemek keletkeznek.

Ez a szupernóva mindig azonosfényességű → standard gyertya

18. ábra. Ha a fehér törpe anyagotszív magába, akkor 1,44 M�-nél Iatípusú szupernóvaként felrobban.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 20 / 29

Az Univerzum élete A csillagok élete

3. A csillagok osztályozása: Szuperóriás csillagok

c.) Szuperóriás csillagok

HRD főág bal felső része

Főleg fehéres-kékes színűek.

Réteges mag, ahol egyrenehezebb elemek születnek:

He→ C→ Ne→ O→ Si→ Fe

A vas fúziója márenergiabefektetést igényelne. 19. ábra. A szuperóriások a vörös

óriásokhoz képest is óriásiak.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 21 / 29

Az Univerzum élete A csillagok élete

3. A csillagok osztályozása: Szuperóriás csillagok

A szuperóriás magjában lévővas elkezd a nagyhőmérsékleten szétesni:

5626Fe −−→ 13 4

2He + 4n0

A neutronok a külsőrétegekbe kerülnek, és a nagytömeg a vasmagnak zúdul ésvisszapattan, közben az óriásifelszabaduló hő miatt egyébreakciók is lezajlanak.

20. ábra. A II-es típusú szupernovákkövetkezményei. A periódusosrendszer vasnál nehezebb (Z>26)elemei mind szupernóvarobbanásbanjöttek létre.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 22 / 29

Az Univerzum élete A csillagok élete

A csillagok életútja: Összefoglalás

21. ábra. A csillagok lehetséges életútja. A tömeg határozza meg a sorsukat.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 23 / 29

Az Univerzum élete A csillagok élete

Neutroncsillagok, fekete lyukak

II-es típusú szupernóvarobbanás után visszamaradtanyag összenyomódhat.A neutronokra is érvényes aPauli-elv, ez ellentart agravitációnak, kb. atommagsűrűségű gömb jön létre 1,44és 3 M� közöttEnnél nagyobb tömeg eseténmár a Pauli-taszítást islegyőzi a gravitáció, és afelszínén a szökési sebességeléri a fénysebességet.

22. ábra. A neutroncsillagot tévesenegy óriási atommagnak is mondják.A fekete lyuk körül a téridő görbületeolyan nagy, hogy sem az anyag, sem afény nem tud kijönni.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 24 / 29

Az Univerzum élete A Világegyetem múltja

Az Olbers-paradoxon

A csillagok nem zuhannakegymásba, mert végtelen sokvan körülöttünk, mindenirányba húzzák egymást.Végtelen csillag esetén éjszakais világos lenne.A csillagközi por azelnyeléstől felmelegedne ésszintén sugározna.Ha nincs végtelen csillag,miért nem zuhannak össze?

23. ábra. A végtelen és statikusUniverzum fénye éjszaka is nagyonfényessé kellene hogy tegye azégboltot. Így végesnek kell lennie ésfolyamatosan tágulnia kell.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 25 / 29

Az Univerzum élete Az Ősrobbanás

Az Ősrobbanás

Georges Lemaître(1894–1966) belga papdolgozta ki 1931-ben.

A galaxisok színképvonalai elvannak tolódva a vörös felé,mert távolodnak.

Nincs kitüntett hely azUniverzumban, mindenkiugyanazt a tágulást érzékeli aHubble-törvény szerint:

v = H · d H = 72kms

Mpc

24. ábra. Az anyag sűrűsége csökken,de a számítások szerint 13,8 milliárdéve minden pontban végtelen volt asűrűség, ez az Ősrobbanás. Nem azanyag repül szét, hanem a tér tágul.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 26 / 29

Az Univerzum élete Az Ősrobbanás

Kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás

Radarok az ég felé fordítvaegy folyamatos zajt mértek.1948-ban Gamow és társai azősrobbanás miatt egyháttérsugárzást jósoltak.1963-ban Arno Penzias ésRobert Woodrow Wilsonrádiócsillagászok kimérték aháttérsugárzást.2,725 K hőmérsékletűfeketetest-sugárzás.

25. ábra. Az Ősrobbanásból származómikrohullámú háttérsugárzás térbelihőmérséklet-ingadozásai.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 27 / 29

Az Univerzum élete Az Ősrobbanás

Az Univerzum jövője

26. ábra. Konstans táguló, összeroppanó, gyorsulva táguló is lehet azUniverzum, jelenleg az állandó méretet a megfigyelések cáfolják.

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 28 / 29

Irodalomjegyzék

Irodalomjegyzék

Prof. Kristóf Petrovay: Bevezetés a csillagászatbaCsizmadia Szilárd: Az Univerzum szerkezeteE.G. Adelberger, A.B. Balantekin, D. Bemmerer, C.A. Bertulani,J.-W. Chen, H. Costantini, M. Couder, R. Cyburt, B. Davids, S.J.Freedman: Solar fusion cross sections II: the pp chain and CNOcyclesVass Miklós: Netfizika: Csillagok, csillagfejlődés

Fizika 11. (Csillagászat) Asztrofizika 2020. január 28. 29 / 29