Kosmoloogia (astrofüüsika)

Teema esitlus: "Kosmoloogia (astrofüüsika)"— Esitluse väljavõte:

1 Kosmoloogia (astrofüüsika)
Füüsika VI

2 Päikesesüsteem

3 Päikesesüsteem Päike (99,8% kogumassist) 8 planeeti
Merkuur Veenus Maa Marss Jupiter Saturn Neptuun Uraan Planeetide kaaslased Nagu näiteks Kuu Päikesesüsteemi väikekehad Pluuto (plutoid) Asteroidid (väikeplaneedid) Komeedid Meteoorid Meteoriidid

4 Planeedid Planeetide orbiidid on peaaegu ringikujulised ja asuvad samas tasapinnas Planeedid tiirlevad ümber Päikese samas suunas Päikese pöörlemisega Planeetide orbiitide raadiused suurenevad kindla seaduspära järgi (Kepleri III seadus) Enamik planeete pöörleb ümber oma telje tiirlemisega samas suunas Enamik planeetide kaaslasi tiirleb ümber oma emaplaneedi selle ekvaatori tasandis ning planeedi pöörlemisega samas suunas Planeedid jagunevad tiheduse järgi kaheks grupiks: a) Maa tüüpi planeedid (4 esimest) ja b) hiidplaneedid (4 kaugemat)

5 Ülesanne Konstrueeri Päikesesüsteemi „mudel“ (arvuta planeetide mõõtkavas mõõdud ja kaugused) kus Päikest kujutab 10 meetrise diameetriga kera, mille mass on 1 tonn.

6 Taevakeha Kaugus Päikesest Läbimõõt Mass km (x106) km kg (x1024) Päike - 1 989,0000 Merkuur 57,9 4 878 0,3304 Veenus 108,2 12 104 4,8748 Maa 149,6 12 774 5,974 Marss 227,9 6 794 0,6422 Jupiter 778,4 1 898,7164 Saturn 1 425,0 568,4261 Neptuun 2 870,0 52 640 86,8620 Uraan 4 501,0 48 600 102,9320

7 Merkuur ☿ Päikesele kõige lähem planeet, seetõttu Maalt halvasti vaadeldav Päikesesüsteemi kõige väiksem planeet (isegi väiksem kui mõned Jupiteri ja Saturni suuremad kaaslased), looduslikud kaaslased puuduvad Tema aasta on võrdne 2 tema ööpäevaga st ööpäevas on 2 aastat! (ööpäev = 176 Maa ööpäeva, aasta = 88 Maa ööpäeva)) Tema pinda on vähe uuritud, kuid sarnaneb väga Kuu pinnale (palju kraatermägesid ja tasandikke) Atmosfäär puudub, pinnatemperatuur kuni +350ºC päeval ja -170ºC öösel, väga tugev magnetväli

8 Veenus Maale lähim planeet (min. kaugus 42 milj. km), heleduselt kolmas silmaga nähtav taevakeha taevas. Mõõtmetelt Maale sarnane, looduslikud kaaslased puuduvad Väga tihe (ca 100x tihedam kui Maal) tihesüsihappegaasist, metaanist ja väävelhappest koosnev atmosfäär, mis katab planeeti paksu pilvekihina Pinnal on väga tugev kasvuhooneefekt – temperatuur 460ºC Pinnavormidelt on Veenus kõige „siledam“ planeet – kõrgeimate ja madalaimate punktide vahe on suhteliselt väike Väga kõrge vulkaaniline aktiivsus

9 Marss Päikesest lugedes 4. nn „punane planeet“. Punase värvi annab planeedi pinnale raudoksiid (rooste!) Marsil on 2 ebakorrapärase kujuga väikest looduslikku kaaslast – Phobos ja Deimos Marsil on Maaga võrreldes hõre atmosfäär, mis koosneb peamiselt süsihappegaasist ja lämmastikust. Pinnatemperatuur jääb vahemikku -87C … +20C (keskmine -63C). Marsi pinnal on nii kõrgeid mägesid (Olympos Mons 27 km), sügavaid kraatreid kui ka süsihappegaasist „polaarjäämütsid“; poolustel võib tõenäoliselt eksisteerida ka vett

10 Jupiter Päikesesüsteemi kõige suurem planeet (läbimõõt 11,2x suurem kui Maal, mass 318x suurem) Tiirlemisperiood (aasta) 12 aastat, pöörlemisperiood (ööpäev) ca 10 tundi. Pöörlemistelje tasand on risti orbiidiga – aastaajad puuduvad! Jupiter koosneb peamiselt vesinikust ja heeliumist, kui tema mass oleks moodustamise hetkel olnud suurem, võinuks temast saada täht. Jupiteril puudub (tõenäoliselt) konkreetne pind – tihe atmosfäär läheb sujuvalt üle vedelaks keskkonnaks. Jupiteri pinnatemperatuur on -100C, kuid see on palju kõrgem kui oleks ainult Päikeselt saadavast energiast Jupiteri ümbritseb rõngaste süsteem, tema ümber tiirleb vähemalt 63 looduslikku kaaslast. Suurimad neist: Io, Europa, Ganymedes, Callisto on suuruselt võrreldavad Merkuuriga Suur Punane Laik – on Jupiteri atmosfääris möllav hiiglaslik keeristorm, mis on kestnud juba vähemalt 300 aastat. Sellesse tormi mahuks vabalt sisse ka Maa.

11 Saturn Tuntud kui „rõngastega“ planeet – lisaks selgelt nähtavale rõngaste süsteemile on Saturnil ka kümneid „kuid“, mõned nendest isegi suuremad kui Merkuur. Ka Saturn pöörleb kiiresti ümber oma telje, tehes täispöörde ca 10 tunniga. Saturni keskmine tihedus on 700 kg/m3 (Maa keskmine tihedus ca 5600 kg/m3) olles sellega Päikesesüsteemi „hõredaim“ planeet. Saturni keemiline koostis on peaaegu identne Jupiteri omaga, ka tema temperatuur on kõrgem kui Päikeselt saadava energia arvelt olla võiks. Ka Saturnil puudub tahke pind, samuti möllavad Saturnil suured tormid

12 Uraan Uraani avastas üsnagi juhuslikult aastal William Herschel, pidades seda alguses täheks – tollastes teleskoopides nähti teda valguspunkti, mitte kettana, nagu teisi planeete – tema näiv liikumine lubas teda siiski planeediks liigiitada. Uraanil nähtavad detailid puuduvad – kaasaegses teleskoobis näeb teda helesinise kettana. Põhikoostiselt sarnane Jupiteri ja Saturniga – vesinik ja heelium, aga ka atsetüleeni ja metaani (millest ka planeedi värvus). Uraan pöörleb suhteliselt kiiresti, tehes täispöörde 16 tunniga. Uraani pöörlemistelg paikneb tiirlemistasandi suhtes väga väikese nurga all – ta nagu veereks mööda orbiiti. Tänu pöörlemistelje orientatsioonile on Uraanil sarnaselt Maa poolustele polaarpäev ja polaaröö, mille kestvus on 42 Maa- aastat Ka Uraanil on rõngaste süsteem, paraku on need rõngad väga halvasti vaadeldavad Sarnastelt eelmistele „suurtele“ on Uraanil vähemalt 15 looduslikku kaaslast Uraani magnetpoolused asuvad (erinevalt enamikust teistest planeetidest) pöörlemispoolustega võrreldes suure (ca 60º) nurga all.

13 Neptuun Neptuun avastati tänu sellele, et Uraani liikumistrajektoor erines oluliselt teoreetiliselt arvutatust. 1846.a arvutasid (teineteisest sõltumatult) John Adams ja Urbain Le Verrier välja Uraani mõjutaja teoreetilise asukoha, kust Johann Galle ta leidiski. Neptuunil on nõrk rõngaste süsteem ja vähemalt 8 kaaslast Oma koostiselt ja omadustelt sarnaneb Jupiteri, Saturni ja Uraaniga. Neptuunil on samuti avastatud torme, on jälgitud ka ühe suure tormi (nn „must laik“) lagunemist väiksemateks

14 Päikesesüsteemi väikekehad
Pluuto (plutoidid) Asteroidid Komeedid Meteoorid Meteoriidid

15 Pluuto ( Pluto) Avastati Uraani liikumise häiritust uurides aastal Percival Lowell’i poolt (hiljem selgus, et Pluuto ei saanud kuidagi seda häiritust põhjustada) Pluuto on suuruselt palju väiksem kui Maa Kuu – läbimõõt 67% Kuu omast, mass vaid 20% Kuu massist. Kuni aastani loeti teda 9-ndaks planeediks, alates sellest kääbusplaneediks ehk plutoidiks. Pluuto orbiit on väga välja venitatud, ulatudes kohati Päikesele lähemale kui Neptuuni oma Pluutol on vähemalt 3 kaaslast – suurim neist on Charon, olles oma „planeedi“ suhtes suhteliselt suurim kaaslane Päikesesüsteemis Pluuto on esimene suurem objekt Päikesesüsteemi ümbritsevas Kuiperi vöös (ka Neptunitagused objektid TNO), mis koosneb paljudest Pluutoga võrreldavatest ja veelgi väiksematest objektidest

16

17

18

19

20

21 Asteroidid Marsi ja Jupiteri vahele jääb loendamatu hulk (miljoneid) väikekehasid – asteroide Asteroidid sattusid sinna Päikesesüsteemi tekkimisel – neist lihtsalt ei moodustunud mingil põhjusel planeeti. Suurimad asteroidid: Ceres, Vesta, Pallas ja Hygiea on suuruselt võrreldavad Pluuto, Kuu ja isegi Merkuuriga; väikseimate läbimõõt võib jääda mõne kilomeetri kanti

22

23 Ceres

24 Gaspra

25

26 Komeedid Komeedid on äärmiselt väljavenitatud orbiidiga väga väikeste mõõtudega väikekehad nn sabatähed (kokku ca 4200 tk) Komeet koosneb tuumast (jääst ja kividest), koomast (aurustunud vesi ja tolm) ja sabast (väga hõre jääkristallidest ja tolmust moodustis) Komeedi saba on Päikese valguse poolt avaldatava rõhu tõttu alati suunatud Päikesest eemale. Komeetide tiirlemisperioodid: Lühikesed 20 … 200 aastat (Halley, Hyakutake, Hale- Bopp), mille orbiit ulatub kaugeimas punktis Jupiteri orbiidi taha Pikad üle 200 aastat (McNaugh’i komeet 92,6 tuh. aastat; Westi komeet 6 milj. aastat), mille orbiit ulatub kaugeimas punktis Päikesesüsteemist välja Ühekordsed (mitteperioodilised) komeedid, mille orbiit pole ellips vaid parabool (või hüperbool) – sellistel komeetidel pole nime vaid numbrid C2000, C2001 jne

27

28

29

30

31

32 Metroorid Meteoorid on peamiselt asteroidide vööst pärit kosmiline „prügi“, mis sattudes Maa raskusvälja tõttu Maa atmosfääri kuumeneb ja süttib. Meteoore („langevaid tähti“) on selge taeva korral võimalik märgata peaaegu igal öösel. Kaks korda aastas läbib Maa meteooride vööndit – perseiide (juuli lõpp … augusti keskpaik) ja leoniide (novembris 10 … 20), siis võib ühe tunni jooksul loendada tuhandeid meteoore

33

34

35

36 Meteoriidid Meteoriidid on sellised meteoorsed taevakivid, mis ei jõua atmosfääris ära põleda ning jõuavad seetõttu maapinnale. Igal aastal langeb Maale sadu tonne meteoriite Suurimate meteoriitide kokkupõrked maapinnaga võivad tekitada suuri Maapinnale suuri löökkraatreid ja ökokatastroofe Tuntuimad meteoriidikraatrid on Kaali ja Arizona; suuri

37

38

39

40

41

42

43

44 Päike

45 Päikese tähtsaimad „mõõdud“
Keskmine kaugus Maast – ca 150 milj. km Kaugus Linnutee keskpunktist ca ly Päikese läbimõõt – km (ca 109·DMaa) Päikese mass - 2·1030 kg ( ·MMaa) Vaba langemise kiirendus (pinnal) 274 m/s2 (27,4·gMaa) Tiirlemisperiood ümber Linnutee keskpunkti ca 250 milj. aastat (1 Gy galaktika aasta) Päikese vanus ca 4,5 … 5 mlrd. aastat (18 … 20 Gy – galaktika-aastat) Temperatuur Pinnal 5800K (6073C) Südames K Kiirgusvõimsus 3,9·1026 W

46 Päikese ehitus KONVEKTSIOONI-VÖÖND
(soojusenergiat antakse edasi nagu keevas vedelikus) TUUM (kus toimuvad termotuuma reaktsioonid ja tekib Päikese energia) FOTOSFÄÄR (soojusenergia muutub el.magn. kiirguseks ) KROMOSFÄÄR (fotosfääri ülemine kiht, mis kiirgab energiat maailmaruumi) KROON (Väga hõre kromosfäär)

47 Päikese pind Erineva heledusega pind näitab, et pinnatemperatuur ei ole ühtlane PÄIKESELOIDE (kuum aine paiskub sisemusest maailmaruumi)

48 Päikese pind Päikeseloide = ioniseeritud gaas  kosmiliste elementaarosakeste sünnikoht

49 Fotosfäär koosneb suurtest „gaasimullidest“ - gloobulitest
Päikese pind Ümbritsevast keskkonnast palju madalama temperatuuriga osad on nähtavad tumedate päikeselaikudena Fotosfäär koosneb suurtest „gaasimullidest“ - gloobulitest

50 Päikesesüsteemi tekkimine

51 Kanti nebulaarhüpotees
Saksa filosoof Immanuel Kant esitas aastal hüpoteesi, et Päikesesüsteem tekkis algselt suure ja hõreda gaasipilvena (ladina keeles nebula), mis iseenda gravitatsiooni mõjul kokku tõmbudes muutus üha lapikumaks ja üha kiiremini pöörlevaks kettaks. Ketta keskele tekkis Päike, tsentrist kaugemal kontsentreerusid planeedid.

52 Laplace’i nebulaarhüpotees
Prantsuse õpetlane Simon de Laplace esitas oma hüpoteesi aastal: Päike tekkis gaasipilve kokku tõmbumisel. Mida rohkem pilv kokku tõmbus, seda kiiremini Päike pöörlema hakkas. Teatud hetkel ei suutnud Päike oma välimisi kihte gravitatsiooni jõuga kinni hoida ja need paiskusid eemale, moodustasid ketta ja seal hakkasid tekkima planeedid, sama mehhanism kordus planeetide kaasalaste (kuude) tekkimisel.

53 Liikumishulga paradoks
Suletud süsteemi liikumishulk (koosneb tiirlemisega ja pöörlemisega ja kehade massidega seotud komponentide summast) on jääv suurus Seega kui vaadelda Päikesesüsteemi keskel asuva ja oma telje ümber pöörleva Päikese ja tema ümber tiirlevate ja oma telje ümber pöörlevate planeete liikumishulki, siis peaks nebulaarteooriatest lähtudes moodustuvas Päikesesüsteemis suurem osa liikumishulgast „kuuluma“ Päikesele ja väiksem osa planeetidele. Tegelikkuses moodustab Päikese liikumishulk vähem kui 3% süsteemi omast Seega pole kumbki nebulaarhüpotees täielikus kooskõlas vaatlusandmetega.

54 Millistele küsimustele peab vastama Päikesesüsteemi mudel?
Miks asuvad planeetide orbiidid (peaaegu) ühes tasandis, mis ühtib Päikese ekvaatoriaaltasandiga? Miks kõik planeedid tiirlevad ümber Päikese ühes suunas, mis ühtib Päikese pöörlemissuunaga? Miks moodustavad planeedid koos oma kaaslastega Päikesesüsteemi sarnaseid süsteeme? Miks moodustab Päike ca 99,9% süsteemi massist, kuid süsteemi liikumishulgast ca 98% langeb planeetide arvele Miks jagunevad planeedid oma suuruse ja tiheduse järgi kahte gruppi – Maa-sarnased (esimesed 4) ja hiidplaneedid (kaugeimad 4)?

55 Katastroofihüpoteesid
Liikumishulga paradoksi kõrvaldamiseks on pakutud välja erinevaid hüpoteese, mis kõik põhinevad mingisugusel juhuslikul sündmusel, mille käigus planeedid saavad oma suure liikumishulga väljastpoolt. Georges Buffon (1745) – Päike oli alguses üksi, aga ta põrkus kokku hiidkomeediga. Päikesest välja paiskunud ainest moodustusidki planeedid. Thomas Chamberlin (1899) – Päikesest möödus mingi väga suure massiga täht, mis oma gravitatsiooniga „imes“ välja osa Päikese ainest, millest saidki tekkida planeedid Svante Arrhenius (1913) – põrkusid kokku ja liitusid kaks tähte, tekkis Päike ja põrkest laiali paiskunud ainest tekkisid planeedid Otto Schmidt (1943) – Päike läbis teele jäänud hiiglaslikku kuid hõredat gaasipilve, selle kondenseerumisel ja paakumisel tekkisid planeedid jms Fred Hoyle (1944) – Päike oli alguses kaksiktäht, mille suurem paariline plahvatas. Plahvatuse tulemusena paiskusid tähed laiali, kuid Päikese ümber jäi piisavalt materjali planeetide jms tekkeks.

56 Katastroofihüpoteeside puudused
Kõik nn „katastroofihüpoteesid“ põhinevad oletusel, et Päikesesüsteemi tekkimisel polnud tegu suletud süsteemiga ning on rikutud liikumishulga jäävuse seadust. Igaüks neist võimaldas vastata ühele või mõnele mudelile esitatud küsimusest, kuid mitte kõigile korraga Seega ei saa ka ühtegi katastroofihüpo- teesi lugeda Päikesesüsteemi tekkimise kirjeldamiseks piisavalt täpseks

57 Magnetpiduri hüpotees
Hüpoteesi idee autor on Norra virmalisteuurija K. Birkeland, seda lihvisid hiljem astrofüüsikud hollandlane H.P. Berlage, rootslane Alfven ja inglane Hoyle, samuti eestlane Ernst Öpik: Päikesest välja lenduvad ioonid tekitavad ümber Päikese elektriliselt laetud pöörlevad gaasirõngad, milles gravitatsioonijõudude tulemusena tekivad planeedid ja mille magnetväli pidurdab Päikese pöörlemist. Planeedid (ja teised süsteemi kuuluvad väikekehad) vahetavad Päikesega ainet ja selle tulemusena planeetide kogumass väheneb. Teooria oli küll efektne, paraku aga kaugel täiuslikust

58 Protoplanetaarne (kaasaegne) teooria
Pöörlev vesinikust ja heeliumist gaasipilv (nebula) hakkas iseenda raskusjõu mõjul kondenseeruma, tekkisid hiigelsuured tähed, mis kiiresti „läbi põlesid“ ja oma elu plahvatusega lõpetasid. Plahvatades tekkisid raskemast keemilistest elementidest koosnevad pilved, mis hakkasid kokku tõmbuma – tekkisid kaasaegsete tähtede eellased – prototähed, mis olid ümbritsetud hõredamast materjalist kettataolise pilvega Prototähe temperatuuri tõustes hakkas kettas asuv gaas ioniseeruma, tema magnetväli pidurdas prototähe pöörlemise kuid kiirendas kettas asuva aine pöörlemist

59 Protoplanetaarne (kaasaegne) teooria
Pöörlevas kettas hakkasid tekkima tihendused – nn protoplaneedid, kusjuures tihedam materjal koondus tähele lähemale, kergem aga sellest eemale (sama toimus protoplaneetide kuudes) Tähe kiirgus „puhastas“ süsteemi üleliigsest materjalist – algsest väljaspool tähte asunud massist jäi alles vaid 1/1000 Süsteem stabiliseerus ja jahtus – kokku kulus selleks 50 … 100 miljonit aastat.

60