Kosmoloogia (astrofüüsika)

Füüsika VI

Päike

Päikese tähtsaimad „mõõdud“

• • • • • • • • • Keskmine kaugus Maast – ca

150 milj. km

Kaugus Linnutee keskpunktist ca

30 000 ly

Päikese läbimõõt – Päikese mass -

2·10 70 000 km

(ca 109·D Maa )

30 kg

(333 333·M Maa ) Vaba langemise kiirendus (pinnal)

274 m/s 2

(27,4·g Maa ) 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

15 000 000K

Kiirgusvõimsus

3,9·10 26 W

Päikese ehitus

TUUM

(kus toimuvad termotuuma reaktsioonid ja tekib Päikese energia)

KONVEKTSIOONI VÖÖND

(soojusenergiat antakse edasi nagu keevas vedelikus)

FOTOSFÄÄR

(soojusenergia muutub el.magn. kiirguseks )

KROON

(Väga hõre kromosfäär)

KROMOSFÄÄR

(fotosfääri ülemine kiht, mis kiirgab energiat maailmaruumi)

Päikese pind

Erineva heledusega pind näitab, et pinnatemperatuur ei ole ühtlane

PÄIKESELOIDE

(kuum aine paiskub sisemusest maailmaruumi)

Päikese pind

Päikeseloide = ioniseeritud gaas



kosmiliste elementaarosakeste sünnikoht

Päikese pind

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

Tähti kirjeldavad karakteristikud

Tähtedega seotud füüsikalised suurused (karakteristikud)

•

Tähed moodustavad 95% sellest, mis Universumis näha, kuid nende mass on väiksem kui 10% Universumi massist

▫ mis moodustab ülejäänud 90+%, on hetkel veel ebaselge • •

Seda kui heledana me tähte taevavõlvil näeme, iseloomustatakse näiva tähesuurusega m

( ülaindeksina näiteks 2 m

).

Mida heledam on täht, seda väiksem on tema tähesuurus.

▫ Kui kahe tähe tähesuuruse vahe on 1 ▫ Päikese tähesuurus -26

m m , on nendelt meie silma langeva valgusvoo erinevus kümnekordne ,6; täiskuul -12 m ,7; Põhjanaelal 1 m ,8

▫ Päikese ja Põhjanaelalt meie silma jõudva valgusvoo vahe

on ca 5·10 10 kordne

• •

Tähtede tegeliku heleduse võrdlemiseks kasutatakse absoluutset tähesuurust – so näiv tähesuurus, millisena paistaks vaadeldav täht Maast 10 pc kaugusel

▫ Päikese absoluutne tähesuurus on 4

m ,8

▫ Vegal 0

m ,58

▫ Suurima teadaoleva absoluutse heledusega täht on ξ Scorpion M

(ksii Skorpioni tähtkujus), mis oma tähtkujus on näivalt tähesuuruselt 14!!

Tähtsaimaks tähte kirjeldavaks karakteristikuks on tähe spekter , mis annab uurijatele detailse ülevaate nii tähe

keemilisest koostisest, massist (mis on seotud läbimõõduga) kui kirjeldab tähe nähtavat värvust (pinnatemperatuuri) ▫ erineva spektriklassi tähti tähistatakse suurtähtedega: O, B, A,

F, G, K, M

▫ O – sinised, kõige kuumemad (pinnatemp. 25 000 … 50 000K)

tähed, koosnevad peamiselt ioniseeritud vesinikust

▫ A – sinakasvalged, pinnatemperatuuriga 7500 … 11 000K

(spektris H, He ja ioniseeritud Ca) – Veega, Siirius

▫ G – kollased 5000 … 6000K (tugevad Ca, K, Fe jpt metallid, H

nõrk) –

Päike

▫ M – punased, kõige „külmemad“ (2000 … 3500K) tähed –

spektris keerulisemate ühendite (TiO, CN, ZrO) molekulide jooned

• •

Tähti uurides avastati, et nende spektrijooned on võrreldes Maal tekkivate samade ainete spektritega nihkunud pikemalainelisemaks – tegu on Doppleri efektist tuleneva punanihkega

▫ Kiiratava laine lainepikkus sõltub laineallika liikumissuunast

vaatleja suhtes. Kui allikas läheneb, siis tajume laineid lühemalainelisena, kui kaugeneb, siis pikemalainelisena

▫ Punanihe näitab, et KÕIK tähed justkui eemalduksid meist ▫ Mida kaugemal vaatlejast täht asub, seda suurem on tema

punanihe

Spektrijoonte ja tähe liikumise põhjal on võimalik hinnata ka tähtede mõõtmeid (läbimõõtu) ja massi – selle põhjal võib öelda, et tähed on väga-väga erineva suurusega

▫ suurimaid nimetatakse hiidudeks ja nende läbimõõt on

tavapäraselt 10 … 100 korda suurem kui Päikesel

▫ Väikseimaid nimetatakse kääbusteks ja nende läbimõõt on ca

10% Päikese omast

▫ tähtede massi erinevus on mõõtmete erinevusest väiksem,

jäädes vahemikku 0,1M Päike … 40M Päike

Hertzsprung–Russelli diagramm

• •

Analüüsinud tähtede absoluutset heledust, spektrit, värvi ja mõõtmeid, märkasid Taani astronoom Ejnar Hertzsprung ja USA

astronoom Henry Norris Russell, et tähed

moodustavad oma väliste parameetrite

(mass, läbimõõt, heledus, värv, temperatuur)

põhjal seaduspära, mida nimetatakse

Hertzsprung–Russelli diagramm

e.

HRD ks

HRD peajadal asuvate tähed on väga

stabiilsed (pikaealised), sellelt välja jäävad tähed on ebastabiilsed (lühikese elueaga)

Peajada Valged kääbused Ülihiiud Hiiud

Tähtede energiaallikad

Tähtede energiaallikad

• •

Gravitatsioonilisel kokkutõmbumisel vabanev energia

▫ suured gaasilised kehad tõmbuvad iseenda

raskuse mõjul kokku, nende potentsiaalne energia väheneb – vahe kiiratakse maailmaruumi

▫ tähelaadseid objekte, mille kiiratavast energiast

suurem osa tuleneb kokkutõmbumise energiast, nimetatakse

prototäheks Tähtede peamiseks energia allikaks on nende sisemuses toimuvad termotuumareaktsioonid (ehk sünteesireaktsioonid)

• • • •

Termotuumareaktsioonides muundub vesinik esmalt heeliumiks, mis omakorda muundub hiljem raskemateks keemilisteks elementideks.

Raskemad elemendid tekivad tähe tsentrile lähemal, kergemad elemendid tsentrist kaugemal.

Reaktsioonide käigus vabanev energia suundub tähe südamikust tähe pinna suunas, avaldades seejuures täheainele märgatavat rõhku.

HRD peajadal asuvate tähtede puhul on tähte kokku suruv gravitatsioonijõud täpselt sama suur kui termotuumareaktsioonide käigus vabaneva ja tähest välja suunduva energia rõhumisjõud

Keemiliste elementide teke tähes

Tähe „elulugu“

I.

II.

III.

Universumis leidub piirkondi (ürgtähtede jäänused), mis on täidetud külma ja hõreda gaasiga. Siiski ületab sellise gaasipilve tihedus kordades Universumi keskmist.

Gaasiosakeste soojusliikumise tõttu tekivad gaasipilves tihedamad piirkonnad, mis hakkavad tänu oma gravitatsioonile iseeneslikult kasvama Tiheneva pilve potentsiaalne energia kahaneb ning vabaneb soojusena – gaasikera temperatuur hakkab kasvama – sünnib

prototäht

Tähe „elulugu“

IV.

V.

VI.

Prototäht tiheneb, tema pinnatemperatuur ja ka sisetemperatuur suurenevad. Teatud hetkel saavutatakse prototähe sisemuses tingimused, mis on vajalikud termotuumareaktsioonide käivitamiseks – prototähest saab „päris“ täht.

Termotuuma reaktsioonide käigus vabanev energia hakkab tungima tähe pinnale avaldades seejuures ümbritsevale keskkonnale rõhku. Kui energia rõhumisjõud saab võrdseks iseenesliku kokkutõmmet põhjustava gravitatsiooniga, saabub tähe tasakaaluolek (täht jõuab HRD peajadale) Tähes toimuvate termotuumareaktsioonide käigus tekib üha raskemaid keemilisi elemente, paraku vabaneb raskemate elementide tekkel vähem energiat kui kergemate tekkel ning tuuma välisosa hakkab paisuma

Tähe „elulugu“

VII.

Ammendanud kogu „termotuumakütuse“ ja • • • • jahtub aeglaselt (kui tähe mass on väiksem kui Päikese mass) muutudes lõpuks

pruuniks kääbuseks

.

heidab täht ära oma pindmised kihid ja ja plahvatab

noova

või

supernoovana

ning pärast plahvatust jääb alles kas: Ülitihe ja ülikuum tuum ( täielikult jahtub (

valge kääbus

), mis kiirgab ümbritsevasse keskkonda alguses röntgenkiirgust, siis aina pikalainelisemat (külmemat) kiirgust kuni lõpuks

pruun kääbus

) – mass kuni 100 Päikese massi

Must auk

– mass üle 100 Päikese massi VIII.

Mida suurem on tähe mass, seda kiirem on elukaar sünnist surmani (so termotuuma reaktsioonide lõppemiseni)

Must auk

• • • Iga (taeva)keha jaoks on olemas kiirus, millega liikudes on võimalik rebida end lahti selle keha raskusväljast. Seda kiirust nimetatakse

paokiiruseks

(ehk II kosmiliseks kiiruseks) ▫ Esimesest kosmilisest kiirusest piisab, et saavutada ringjoonekujuline tiirlemistrajektoor (Maal ca 8 km/s) ▫ ▫ ▫ Kuul on paokiirus ca 2,4 km/s Maal on paokiirus ca 11,2 km/s Päikesel on paokiirus ca 618 km/s

Musta augu korral ületab paokiirus valguse kiirust so 300 000 km/s

▫ Kuna miski ei saa liikuda kiiremini kui valgus, siis satuvad nii valgus kui mistahes muu info musta augu poolt seatud „gravitatsioonilõksu“

Must auk

• Iga (taeva)keha jaoks on olemas kindel raadius nn

Schwarzschildi raadius

(R s ), milleni teda kokku surudes saavutatakse olukord, kus paokiirus muutub valguse kiirusest suuremaks

𝐑

𝐬

= 𝟐𝐆𝐌 𝐜

𝟐 ▫ Kus G=6,67·10 -11 N·m 2 /kg 2 – gravitatsioonikonstant; M – taevakeha mass ja c=3·10 8 m/s – valguse kiirus vaakumis • Mõnede taevakehade Schwarzschildi raadiused: ▫ Päikese R s = 2 950 m ▫ Maa R s = 9 mm

Galaktikad

Linnutee

• • •

Lisaks planeetidele (mis muutsid päev päevalt oma asukohta) ja kinnistähtedele (mille asukoht ei muutunud), on öötaevas näha ka valkjat „udu“, mida Eestis on ikka kutsutud

▫ 

Linnuteeks , sest ta on peaaegu põhja-lõuna suunaline

Teistes keeltes enamasti „piimatee“: Γαλακτικωσ (loe: galaktikos, kreeka k);   Milky Way (inglise k); Milchstraße (saksa k) Млечный путь (vene k)  Peale teleskoopide leiutamist avastati, et see „udu“ koosneb miljonitest silmale nähtamatutest tähtedest.

Kreeka keele eeskujul said paljudest tähtedest koosnevad tähesüsteemid nime

galaktika

Linnutee kuju ja mõõdud

• • • • • Linnutees asuvaid tähti uurides on jõutud järeldusele, et •

Linnutee on kettakujuline

▫ ketta läbimõõt 100 000 ly ▫ ketta paksus 1 000 ly

Linnutees on 200 … 400 miljardit tähte Linnutee tähtede tihedus on piirkonniti väga erinev:

▫ Tsentris kuni 1000 pc -3 ▫ ▫ Päikese läheduses 0,1 pc -3 Äärele lähemal veelgi väiksem

Linnutee mass on ca 0,2 triljonit Päikese massi Linnutee vanus on ca 13 … 15 miljardit aastat Linnutee tiirleb ümber oma keskpunkti, tehes täispöörde ca 250 miljoni aastaga

▫ erinevalt Päikesesüsteemist kus tsentrist kaugemad planeedid liiguvad aeglasemalt kui lähedasemad, on Linnutee tähtede liikumiskiirus igal pool peaaegu ühesugune (või isegi suureneb kauguse kasvades)

Teised silmaga nähtavad galaktikad

• • • Lisaks Linnuteele, on öötaevas näha ka teisi „udusid“ ▫ Andromeda „udukogu“ ▫ Orioni „udukogu“ ▫ Suur Magalgaesi Pilv ▫ Väike Magalhaesi Pilv mis kõik osutusid teleskoobiga vaatlemisel tähekogudeks e. galaktikateks

Täna on kataloogidesse kantud ca miljard galaktikat, igaühes vähemalt 1 miljard tähte

Galaktikate tüübid

• • • Avastatud galaktikad jagunevad järgmisteks tüüpideks : ▫ elliptilised galaktikad ▫ spiraalgalaktikad ▫ korrapäratud galaktikad Galaktikad on tekkinud ürgsetest gaasi- ja tolmupilvedest, milles tähed on „välja tihenenud“ Galaktikad liiguvad üksteise suhtes ning piisavalt lähedale sattudes võivad nad üksteist mõjutada – paljud spiraalsed galaktikad võivad olla tekkinud galaktikate kokkupõrkel

Universum

Universumi kärgstruktuur

• • • Nii nagu tähed moodustavad enam või vähem korrapäraseid süsteeme – galaktikaid, nii moodustavad ka galaktikad suuremaid süsteeme – galaktikaparvi.

Galaktikaparved ei asu maailmaruumis juhuslikult vaid moodustavad mesilaskärje sarnaseid „rakkusid“, mille diameeter on ca 100 Mpc (330 milj. ly) Kärjeseinte vaheline ruumi võime lugeda täielikuks vaakumiks, kus osakeste kontsentratsioon on 1 osake/m 3 .

Suur Pauk

• • • • Uurides galaktikate liikumist Päikesesüsteemi suhtes avastati, et mitte ainult kõik tähed Galaktikas ei eemaldu Päikesest vaid ka kõigi galaktikate spektrid on tugevas punanihkes –

üksteisest) ehk enamik galaktikad eemalduvad meist (ja ka

See fakt on aluseks teooriale, mille kohaselt sai meie

Universum alguse ühest ruumipunktist, mis mingil põhjusel paisuma hakkas

.

Selle paisumise alghetke nimetatakse

Suureks Pauguks

– sündmuseks,

Suures Paugus said samaaegselt alguse nii ruum, aeg kui ka aine.

▫ Kuna aeg saab alguse Suurest Paugust, ei saa me esitada küsimust „mis oli enne seda?“

Universumi evolutsioon

• • • • • • • t=0s  Suur Pauk – kõik saab alguse mitte millestki (T=10 32 K?; d<<10 -50 cm) t=10 -32 s  T=10 28 K; d=10 -34 m  tekivad kvargid t=10 -5 s  T=10 12 K; d=10 -4 m  kvark-kolmikud – prootonid ja neutronid T=1000K; d=10 -2 m ülikuumas ja tihedas massis „kvargisupis“ hakkavad tekkima  t=3000 a  hakkavad tekkima neutraalsed aatomid, Universum muutub kiirgusele läbipaistvaks.

„elementaarosakeste supis“ t=300 000 a  t=200 mln a  T=3500K – „ürgaine“ koguneb rakuseintesse T=27K – hakkavad tekkima tähed ja galaktikad

Universumi praegust vanust hinnatakse ca 14 miljardile aastale, keskmine temperatuur 2,7K, (nähtava osa) läbimõõt 93 mlrd valgusaastat

▫ NB! Universumi arengu kirjeldamiseks on kasutusele võetud „inflatsioonilise arengu etapp“ – see on ajavahemik, mille jooksul paisus Suures Paugus tekkinud ruum valguse kiirusest kiiremini, mistõttu pole meil lootuski vaadelda Universumi äärealasid

Mis saab edasi?

See, mis juhtub Universumi arengus edasi sõltub Universumi massist

I.

LÕPUTU PAISUMINE

▫ Kui Universumi mass on teatavast kriitilisest massist väiksem, siis jätkab ta paisumist ja jahtumist kuni saavutatakse temperatuur 0K, mille juures soojusliikumine lakkab

II.

▫

SUUR KOLLAPS

Kui Universumi mass on sellest kriitilisest massist suurem, siis võib teatud ajahetkel paisumine asenduda kokku tõmbumisega, tema temperatuur hakkab tõusma ning see kokkutõmbumine lõppeb samuti kogu olemasoleva koondumisega ühte punkti.

Antroopsusprintsiip

• • 1973. aastal sõnastas Brandon Carter nn antroopsusprintsiibi, mille kohaselt

Universumi ehitus ja areng on täpselt sellised, et seal saaks eksisteerida inimene (vaatleja)

Antroopsusprintsiip ei ole füüsika- ega ka teiste loodusseaduste abil tõestatav, kuid sellest lähtuvalt on võimalik selgitada nii tähtede, galaktikate, Päikesesüsteemi kui ka elu tekkimist ▫ Mistahes teistest loodusseadustest lähtudes on elu (ja inimühiskonna) tekkimine loodusseaduste vastane.

Teised universumid?

• Paljusid vaevab küsimus: „Kas on olemas teisi universumeid?“ •

Võimalik, et on olemas lõpmatul hulgal universumeid, kuid paraku pole meie Universumis viibival vaatlejal praeguste teadmiste kohaselt põhimõtteliselt võimalik nende kohta informatsiooni saada.