ASTROFIZYKA I KOSMOLOGIAASTROFIZYKA I KOSMOLOGIA, PWR, MATERIAŁY PWR, ASTROFIZYKA
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
ASTROFIZYKA I KOSMOLOGIA Wyjaśnimy jak mogły powstać gwiazdy i planety, skąd pochodzi ogromna energia wysyłana przez gwiazdy i co się dzieje z gwiazdą, gdy jej źródło energii wyczerpuje się. Zajmiemy się także budową i prawami rządzącymi Wszechświatem. 20.1. Pojęcia wstępne Układ słoneczny do którego należy Ziemia jest mikroskopijną cząstką Układu Drogi Mlecznej, która z kolei jest nieporównywalnie mniejszą częścią Wszechświata. Tabela 20.1. Podstawowe parametry Galaktyki Nazwa wielkości Wartość Średnica 9.2 × 10 20 m Grubość średnia 6.2 × 10 16 m Średnica jądra Galaktyki 1.55 × 10 17 m Masa Galaktyki 2.2 × 10 41 kg Masa Słońca 2 × 10 30 kg Prędkość Słońca w ruchu obrotowym Galaktyki 250 km/s Promień orbity Słońca 3 × 10 20 m Okres obrotu Słońca 7 × 10 15 s = 2.2 × 10 8 lat Liczba gwiazd w Galaktyce 10 11 Galaktyka ma kształt dysku o średnicy około 10 21 m i grubości w części środkowej około 6 × 10 19 m. Jej grubość maleje wzdłuż promienia. Centralną część Galaktyki otacza halo galaktyczne, które jest pyłowo-gazowym obłokiem skupiającym około 2% całej masy Galaktyki. Wszechświat jest wypełniony galaktykami i gromadami galaktyk znajdujących się w ciągłym ruchu obrotowym i postępowym. Czas istnienia Wszechświata jest oceniany na około 15 miliardów lat. W 1990 r. wysłano w przestrzeń kosmiczną teleskop im. E. Hubble’a (zasięg obserwacji wzrósł blisko dziesięciokrotnie). Tabela 20.1. Podstawowe parametry Wszechświata Nazwa wielkości Wartość Średnica 3 × 10 26 m Objętość 1.5 × 10 79 m 3 Masa (10 79 nukleonów) 1.6 × 10 52 kg Średnia gęstość 2 × 10 28 kg/m 3 Liczba galaktyk we Wszechświecie 10 12 Średnia masa galaktyki 1.6 × 10 41 kg Średnia liczba gwiazd w galaktyce Czas istnienia Wszechświata 1.5 × 10 10 lat Wszechświat cechuje się niestabilnością; może się rozszerzać lub skupiać. Obecnie znajduje się w stanie ekspansji. Fakty eksperymentalne świadczą, że Wszechświat rozszerza się z prędkościami proporcjonalnymi do wzajemnej odległości galaktyk i ich gromad. Takie zachowanie sugeruje, że we wczesnych stadiach rozwoju Świata materia była skupiona w małej objętości, a proces jej rozszerzania nastąpił w wyniku eksplozji. Eksplozja taka nosi nazwę Wielkiego Wybuchu (ang. Big Bang) i wszystkie dalsze etapy rozwoju Wszechświata odnosimy do tego hipotetycznego początku. 10 10 20.2. Gwiazdy Większość teorii kosmologicznych przyjmuje, że głównym składnikiem gwiazd jest wodór. Tworzenie się gwiazd rozpoczyna się od powstania chmury wodoru, która zaczyna kurczyć się pod wpływem przyciągania grawitacyjnego. W miarę jak atomy wodoru zbliżają się do siebie, rośnie ich energia kinetyczna, czyli temperatura gazu. Z kolei nagrzana masa gazu osiąga ciśnienie, które hamuje dalsze zapadanie grawitacyjne chmury. Jednak, gdy energia zmniejszy się na skutek promieniowania elektromagnetycznego, to zapadanie grawitacyjne postępuje nadal aż do momentu pojawienia się nowego źródła energii temu przeciwdziałającemu, jakim są reakcje termojądrowe zachodzące w temperaturze co najmniej około 10 7 K. Jeżeli masa początkowa jest mała, to zapadanie postępuje aż do chwili, kiedy atomy zaczynają stykać się ze sobą. Wtedy powstaje planeta, tak jak w przypadku Ziemi. Jeżeli masa początkowa jest większa, to wtedy ciśnienia i gęstości są dostatecznie duże, aby powodować nakładanie się funkcji falowych w wyniku czego powstaje plazma. Przykładem obiektu należącego do tej kategorii jest planeta Jowisz. Można wykazać, że jeśli masa początkowa jest większa niż 0.08 masy Słońca, to osiągana temperatura jest dostatecznie wysoka aby wywołać reakcje termojądrowe typu 1 1 p + 1 1 p → 2 1 D + 0 1 e + + ν 1 1 p + He 2 1 D → 3 2 + γ 3 2 He + 3 2 He → 4 2 He + 1 1 p + 1 1 p p γ p e + 3 He ν p D p He p D 3 He p p e + ν γ p Rys. 20.1. Schemat cyklu wodorowego Sześć protonów jest użytych do wytworzenia He 4 2 , dwóch protonów, dwóch pozytonów, dwóch neutrin i dwóch kwantów γ . 4 Ten ciąg reakcji termojądrowych nazywany jest cyklem wodorowym powodującym produkcję energii Słońca i innych gwiazd bogatych w wodór. W wyniku tego cyklu 6 protonów jest zużyte do emisji cząstki α , dwóch pozytonów, 2 neutrin i 2 fotonów o całkowitej energii kinetyczne około 26 MeV. Gwiazdy o masie większej od Słońca mają wyższą temperaturę i szybciej spalają zawarty w nich wodór. Gdy zapas wodoru wyczerpie się, to gwiazda promieniuje nadal i zaczyna się zapadać. Zapadanie i ogrzewanie gwiazdy trwa tak długo, aż temperatura osiągnie wartość kreującą reakcje termojądrowe dla helu (przemiana w węgiel, tlen i neon). W wyniku tych procesów większość materiału we wnętrzu gwiazdy zamienia się w żelazo 56 Fe, który jest izotopem najbardziej stabilnym wśród wszystkich jąder. Jeżeli przyjmiemy, że nie występują inne siły odpychania lub ciśnienia, to gwiazda będzie się wciąż zapadać. Istnieje jednak pewien graniczny promień R 0 , zwany promieniem Schwartzschilda, poniżej którego nie możemy już zobaczyć gwiazdy. Sytuacja taka jest pokazana na rys. 20.2c, gdzie wszystkie fotony spadają z powrotem na powierzchnię gwiazdy. 20.3. Czarne dziury Oceniając grawitacyjną energię potencjalną fotonu wysyłanego z powierzchni gwiazdy, U = – GMm/R ( M jest masą gwiazdy a m = ε /c 2 jest masą grawitacyjną fotonu o energii ε ), możemy wyznaczyć R 0 . Jeżeli więc ε < GMm/R , to foton nie może oddalić się od gwiazdy. Warunek graniczny dla R ma postać ε = GMm = GM ⎝ ε ⎠ co prowadzi do związku R = GM 0 R R c 2 c 2 0 0 ⎛ ⎞ [ Pobierz całość w formacie PDF ] |
Podobne
|