Vesmír

Sluneční soustava

Sluneční soustava je planetární systém vytvořený kolem hvězdy zvané Slunce.

Tento systém obsahuje osm "klasických" planet, asi 150 dosud objevených měsíců planet, řadu "trpasličích" planet (těles, která mají dostatečnou hmotnost, aby se zformovala do kulovitého tvaru, ale nelze je považovat za planety - Pluto, Ceres, Eris, Vesta, Sedna, Makemake, Quaoar a další) a malá tělesa - planetky, komety, meteoroidy. Přitom ve Slunci je obsaženo téměř 99,9 % veškeré hmoty Sluneční soustavy.

Do roku 2006 měla Sluneční soustava devět planet - mezi planety bylo totiž od svého objevu v r. 1930 řazeno i Pluto. Na kongresu Mezinárodní astronomické unie v Praze byla zpřesněna definice planety, která mj. požaduje, aby těleso, považované za planetu, bylo v oblasti své oběžné dráhy dominující. Tuto podmínku Pluto nesplňuje, protože např. těžiště soustavy Pluto - Charon (jeden z měsíců Pluta) leží z prostoru mezi oběma tělesy.

Slunce

jako hlavní těleso soustavy je zcela průměrnou hvězdou - tělesem tvořeným převážně lehkými plyny (vodíkem - 75 % hmotnosti  a heliem - 25 % hmotnosti), ostatní prvky jsou zastoupeny v zanedbatelném možství, v jeho nitru už miliardy let probíhá za teploty přibližně 10 milionů stupňů termonukleární přeměna vodíku na helium.

Produkovaný výkon řádově 10²⁶ W (srovnejte s výkonem české energetické soustavy, který je přibližně 10 000 MW!) je z jádra k povrchu přenášen nejdříve zářením, ve vyšších vrstvách pak prouděním látky. Z pozorovatelného povrchu (fotosféry) je za teploty 6 tisíc stupňů vyzařován do prostoru.

Slunce je zatím jediná hvězda, na které můžeme pozorovat povrchové děje - sluneční skvrny (místa s nižší teplotou než okolí - asi 4 tisíce stupňů - jeví se proto tmavá proti okolní fotosféře) a protuberance (výtrysky sluneční hmoty do prostoru - do tvaru smyček jsou formovány magnetickým polem Slunce). 

Planety

tvoří nepatrnou část hmotnosti Sluneční soustavy, z hlediska jejich fyzikálních vlastností rozlišujeme dva typy planet 

• planety typu Země (Merkur, Venuše, Země a Mars) - relativně malá tělesa s pevným povrchem, s vysokou průměrnou hustotou, pohybují se ve vnitřní části Sluneční soustavy
• planety typu Jupiter (Jupiter, Saturn, Uran, Neptun) - relativně velká tělesa bez pevného povrchu, tvořena lehkými plyny, s nízkou průměrnou hustotou, zaujímají vnější oblast Sluneční soustavy, u všech byl objeven prstenec tvořený prachem a drobnými tělesy

Pro představu o poměrech drah planet kolem Slunce a o velikostech planet a Slunce mohou sloužit následující ilustrace:

Sluneční soustava je součástí obrovského útvaru - galaxie zvané Mléčná dráha, která sestává z více než 100 miliard hvězd.

Další informace najdete např. zde.

Zákony pohybu těles ve Sluneční soustavě

Popsat a vysvětlit pohyb Slunce, Měsíce a planet po obloze se astronomové pokoušeli od starověku.

Klaudios Ptolemaios (90 - 160 n. l.) vysvětloval pozorované pohyby nebeských těles v systému, který ve středu "světa" měl naši Zemi, Měsíc, Slunce a ostatní tělesa kolem ní obíhala po kružnicích, vše bylo uzavřeno "sférou hvězd":

 

Tento systém se nazýval geocentrický a popisoval pozorované pohyby velmi nepřesně.

Aby dosáhli lepší shody s pozorováním, přidávali Ptolemaiovi následovníci další dráhy (epicykly - po Ptolemaiově kruhové dráze se už nepohybovala přímo planeta, ale střed další kružnice, teprve na té se pohybovala planeta):

Bylo zřejmé, že celý systém nemůže být správný, protože byl stále komplikovanější.

Mikuláš Koperník (1473 - 1543) navrhnul v díle O obězích sfér nebeských nový model uspořádání naší planetární soustavy - ve středu systému je Slunce, planety včetně Země kolem něj obíhají po kružnicích (Měsíc obíhá po kružnici kolem Země) - heliocentrický systém (Koperník si byl pravděpodobně vědom, že popisuje realitu, ale aby proti sobě nepopudil katolickou církev, vydával svoji teorii za pouhý výpočetní model). Tento jednoduchý systém vysvětloval složité pohyby planet po obloze jako zdánlivé - jako výsledek vzájemného pohybu planet a Země, zároveň byl mnohem přesnější než model geocentrický.

Jan Kepler (1571 - 1630) na základě přesných a dlouhodobých pozorování poloh planety Mars, která prováděl dánský astronom Tycho Brahe, zpřesnil Koperníkův heliocentrický systém třemi zákony pohybu planet:

1. Planety se pohybují po elipsách málo odlišných od kružnic, v jejich společném ohnisku je Slunce (tedy: vzdálenost planety od Slunce se s časem periodicky mění)
2. Plochy opsané průvodičem planety (průvodič=spojnice Slunce-planeta) za jednotku času jsou stálé (tedy: je-li planeta blíž ke Slunci, pohybuje se rychleji):

3. Poměr druhých mocnin oběžné doby dvou planet se rovná poměru třetích mocnin jejich průměrných vzdáleností od Slunce (tedy: existuje jednoduchý vztah mezi vzdáleností od Slunce a oběžnou dobou planety)

Takový systém už dosahoval velice dobré shody s pozorováním, byl však pouze popisem - nevysvětloval, proč se planety takto chovají.

Isaac Newton (1643 - 1727) svým gravitačním zákonem vysvětlil příčiny pohybu planet kolem Slunce - Keplerovy zákony jsou důsledkem gravitačního působení planet a Slunce, které popisuje Newtonův gravitační zákon.

Vzdálený vesmír

Hvězdy

Slunce je jednou z mnoha miliard hvězd, které můžeme zkoumat v pozorovatelné části vesmíru. Veškeré znalosti, které lidstvo o hvězdách (a všech vzdálenějších vesmírných objektech) získalo, pocházejí z rozboru elektromagnetického záření (především světla), které k nám od těchto objektů přichází. 

Typy hvězd, které ve vesmíru pozorujeme souvisejí s počátečními podmínkami při jejich vzniku (především hmotností a chemickým složením) a se stářím hvězdy. Různé typy hvězd znázorňuje tzv. H-R diagram (Hertzsprungův-Russelův), ve kterém jsou dány do souvislosti povrchová teplota (barva hvězdy) na vodorovné ose a svítivost na svislé ose. V diagramu jsou jasně patrné skupiny hvězd, které podle svých vnějších znaků dostaly příslušná jména (žlutí, červení) obři, (modří, žlutí, červení) veleobři, (bílí, červení) trpaslíci a hvězdy hlavní posloupnosti. 

Vývoj hvězd

V H-R diagramu lze zachytit vývoj hvězd - např. pro naše Slunce je jeho vývoj znázorněn na následujícím obrázku:

Vývoj Slunce

začal před necelými 5 miliardami let smršťováním (contraction) obrovského oblaku plynu (převážně vodíku) a prachu.

Postupně se zformovala tzv. protohvězda (ze zbytku plynu a prachu vznikla v okolí soustava planet), v jejím nitru se díky vysokým tlakům a teplotám zažehla termonukleární reakce - přeměna vodíku na helium, produkce energie zastavila smšťování - v HR diagramu se Slunce usadilo na hlavní posloupnosti (main sequence) a stráví na ní většinu svého života (je na ní i v současné době a ještě 5 až 7 milard let bude).

Po vyčerpání vodíku v jádře poklesne produkce energie a Slunce se začne opět smršťovat, to způsobí nárůst tlaku a teploty v jádře a dojde k zapálení dalších reakcí - přeměny helia na uhlík, dusík a další prvky. Každá další reakce je prudší a způsobuje nárůst výkonu a tím rozpínání Slunce do podoby rudého obra (red giant), při rozpínání pravděpodobně pohltí nejbližší planety.

Závěrečná stadia života Slunce budou rychlá - přebytek energie v jádře způsobí odfouknutí nejvyšších vrstev hmoty a odhalení horkého jádra. Odvržená hmota vytvoří kolem zbytků Slunce mlhovinu (planetary nebula), odhalené jádro - bílý trpaslík (white dwarf) ztratí zdroj dalšího růstu tlaku a teploty, přestane produkovat jadernou energii a bude už jenom chladnout  tepelným zářením do fáze červeného, hnědého, černého trpaslíka.

Hvězdy, které při vzniku mají hmotnost výrazně vyšší než mělo Slunce, mají jednak kratší život (spotřeba jaderného paliva je výrazně vyšší) a končí efektním výbuchem - supernova. Konečným stadiem hmotných hvězd jsou podle současných představ tzv. neutronové hvězdy, popř. černé díry:

Galaxie

Naše Slunce je jednou z přibližně 100 miliard hvězd, které dohromady tvoří vyšší soustavu - galaxii. Ta má tvar tenkého disku o průměru 100 tisíc světelných let (jednotka délky pro měření velkých vzdáleností - dráha světelného paprsku za 1 rok = 10¹⁶ m = 10 tisíc miliard kilometrů). Naše galaxie bývá nazývána Mléčná dráha podle jejího vzhledu na noční obloze - stříbrný pás táhnoucí se přes celou oblohu.

Bylo zjištěno, že i galaxií jsou ve vesmíru miliardy a shlukují se do větších struktur - kup galaxií. Jejich vzdálenosti se měří v desítkách a stovkách milonů světelných let. 

Nejvýkonnější dalekohledy, které má dnešní věda k dispozici, dohlédnou do vzdáleností miliard světelných let, je zajímavé, že v celé škále vzdáleností se vesmír jeví stejný, homogenní.

Vznik vesmíru

Současné představy o vzniku vesmíru zásadně ovlivnily dva objevy:

1929 - rozpínání vesmíru - Edwin Hubble zjistil, že vzdálené galaxie se od nás vzdalují, přičemž rychlost vzdalování je úměrná jejich vzdálenosti (na základě Einsteinových rovnic obecné teorie relativity předpověděl v roce 1922 sovětský teoretický fyzik Alexander A. Friedmann, že vesmír nemůže být statický, že se musí buď smršťovat nebo rozpínat)

1964 - reliktní (zbytkové) záření - Arno Penzias a Robert Wilson (oba Nobelova cena r. 1978) objevili slabé radiové záření, které přichází téměř rovnoměrně ze všech směrů a odpovídá vyzařování tělesa s teplotou asi 3 K (-270 ^oC)

Na základě těchto jevů dnes považujeme za prokázané, že vesmír vzniknul před 13 - 14 miliardami let tzv. velkým třeskem (big bang) - hmota i čas se začaly rozpínat ze stavu, který dnes nedokážeme popsat (prvotní singularita - stav hmoty s nepředstavitelnou hustotou a teplotou).