Vladimír Štefl Ústav teoretické fyziky a astrofyziky Astrofyzika I. Základní hvězdné charakteristiky, určování vzdáleností Astrofyzika ukončení: písemná zkouška - 4 úlohy průměrné obtížnosti , doba zpracování 1 hod., ústní zkouška - 1 otázka z tematických okruhů Vanýsek, V.: Základy astronomie a astrofyziky. Academia, Praha 1980. Štefl, V.: Vybrané kapitoly z astrofyziky. UJEP, Brno 1985. Mikulášek, Z., Krtička, J.: Úvod do fyziky hvězd MU, Brno 2005. Široký, J., Široká, M.: Základy astronomie v příkladech. SPN, Praha 1966. Šolc, M., Švestka, J., Vanýsek, V.: Fyzika hvězd a vesmíru. SPN, Praha 1987. www.physics.muni.cz/astroulohy/ cvičení: kalkulačka, fyzikální a astronomické konstanty, převody jednotek PROČ vyučovat ASTRONOMII aneb úvodní motivace •studenti projevují zájem o astronomickou problematiku, často se s ní setkávají v denním tisku, v časopisech, na internetu, v televizi •ne vždy jsou uváděné informace správné, ve výuce je třeba provádět jejich korekci •astronomické poznatky jsou součástí znalostí středoškolsky vzdělaného člověka Tematické okruhy - Astrofyzika Základní hvězdné charakteristiky a metody jejich určování Metody určování vzdáleností Povrchové teploty hvězd, Boltzmannova a Sahova rovnice, spektrální klasifikace hvězd Stavová interpretace H - R diagramu Stavba nitra hvězd hlavní posloupnosti, hydrostatická a zářivá rovnováha, základní rovnice stavby hvězd Zdroje energie hvězd. Vztah hmotnost - zářivý výkon, Russellův - Vogtův teorém Vývojová interpretace H - R diagramu Dvojhvězdy Bílí trpaslíci, neutronové hvězdy, černé díry Hvězdokupy a asociace Stavební struktura Galaxie. Hvězdné populace, jejich znaky. Rotace Galaxie. Oortovy konstanty Vnější galaxie, jejich klasifikace, aktivita. Kosmologické modely vesmíru Sluneční soustava, rozdělení planet, Země, Měsíc, kosmogonie Pozorování, atmosférická refrakce, roční období, jejich obloha mlhovina Rozetta Astrofyzika Hvězdy - jejich vlastnosti - charakteristiky pozorujeme asi 5 000 hvězd jsou všechny stejné? jaké mají vlastnosti – charakteristiky? poloměr hmotnost teplota zářivý výkon spektrum Základní hvězdné charakteristiky Základní hvězdné charakteristiky Hmotnost hvězd Viriálová věta R. Clausius r. 1870: omezený prostor, periodický pohyb, změna momentu hybnosti → 0. tzv. jednoduchý tvar, střední časové hodnoty, částice hvězd, hvězdy v hvězdokupách, galaxie v kupách galaxií střední hodnota celkové energie = …. centrální teplota Určování hmotnosti a) III. Keplerův zákon v přesném tvaru III. Keplerův zákon v přesném tvaru - dvojhvězda Sírius III. Keplerův zákon v přesném tvaru – cvičení Fyzická dvojhvězda Sirius sirius7 SiriusBinary_147x123 vzajemne siriusb 9 . 10-3 RS ≈ 9 .10-1 Rz 1 MS 25 200 K 2 . 10-3 LS III. Keplerův zákon v přesném tvaru - cvičení Cvičení – fyzikální konstanty Cvičení - astronomické konstanty Určování hmotnosti - gravitační rudý posuv siriusb Určování poloměru hvězd Určování poloměru hvězd - zákrytové dvojhvězdy Určování poloměru hvězd – interferometricky Porovnání poloměrů hvězd Poloměry hvězd - typické Charakteristiky hvězd, hvězda LBV 1806-20 1806-20b 150 RS 150 MS 4 . 10 7 LS fyzická dvojhvězda ? Slunce: RS 7 . 10 8 m MS 2 . 10 30 kg TS 5 780 K LS 4 . 10 26 W betelgeuse_hst orion3 650 RS 15 MS 3 500 K Betelgeuse – červený veleobr Povrchové teploty hvězd aplikace zákonů záření, Wienova, Planckova, Stefanova-Boltzmannova zákona, pouze první aproximace, průběh spojitého spektra narušen čarami, fotoionizačními skoky… Určování barevné teploty - Wienův vyzařovací zákon Aplikace Planckova zákona, určování efektivní teploty ze Stefanova-Boltzmannova z. Stefanův- Boltzmannův zákon záření vychází z různých hloubek atmosféry, z různých teplot, proto zavádíme efektivní teplotu Určování teploty - Wienův posunovací zákon Určování excitační teploty - Boltzmannova rovnice Boltzmannova rovnice graf zachycuje nárůst N2 obsazení druhé hladiny, přesněji poměr N2 ku celkovému počtu atomů N2 + N1 s rostoucí teplotou, N2 = N1 při teplotě až 85 400 K, proč pozorujeme maximální intenzitu čar Balmerovy série při teplotách 9 900 K? Odpověď poskytuje Sahova rovnice. Určování ionizační teploty - Sahova rovnice Sahova rovnice graf zachycuje nárůst počtu ionizovaných atomů NII, přesněji poměr NII ku celkovému počtu atomů Ntotal při zvětšování teploty, 50 % při 9 600 K při T = 5 000 K atomy vodíku neionizovány, při T = 8 300 K je ionizováno 5 % atomů, při T = 9 900 K je ionizováno 50 % atomů, při T = 12 500 K jsou ionizovány téměř všechny atomy Kombinovaná rovnice excitačně - ionizační Kombinovaná Boltzmannova-Sahova rovnice intenzita čar Balmerovy série závisí na velikosti zlomku N2 / Ntotal - na počtu všech vodíkových atomů, které jsou na druhé energetické hladině, při teplotách nad 9 900 K narůstá výrazně ionizace graf zachycuje závislost poměru obsazení druhé hladiny N2 obsazení druhé hladiny ku celkovému počtu atomů Ntotal na teplotě, maximum při 9 900 K Spektra hvězd spojitá spektra hvězd absorpční čárová spektra Spektra hvězd – spojité a čárové spektrum Závislost intenzity spektrálních čar na teplotě Spektrum Slunce – Fraunhoferovy čáry Spektrum Slunce - Fraunhoferovy čáry Spektrum Slunce - Fraunhoferovy čáry Vznik absorpčních čar ve spektru Slunce Vznik absorpčních spektrálních čar - Slunce Vznik emisních vodíkových čar Lymanova a Balmerova série vodíkových čar Lymanova série vodíkových čar Balmerova série vodíkových čav Atom vodíku - energetické hladiny, emisní spektrum HatomLevels Výklad spektra Slunce - dobré znát Výklad spektra Slunce Výklad spektra Slunce Harvardská spektrální klasifikace Harvardská spektrální klasifikace - ukázky Spektra hvězd Harvardská spektrální klasifikace Harvadská spektrální klasifikace-označení spektra Třídy svítivosti (zářivého výkonu) – luminosity Určování charakteristik ze spektra Rozsah charakteristik hvězd Rozsah charakteristik hvězd hmotnosti (10 -2 – 10 2) MS poloměry (10 -2 – 10 3 ) RS povrchové teploty (10 3 – 10 6) K zářivé výkony (10 -6 – 10 7) LS odlišnost charakteristik – zachycení různých vývojových stadií hvězd – charakteristiky – poloměr, teplota, zářivý výkon se s časem mění Vlastnosti charakteristik hvězd PICARD Cassini AU Giovanni Domenico Cassini 1625-1712 Jean Richer 1630-1696 sluneční paralaxa září - 1672 stanovení AU – 138,5 mil. km! Určování vzdálenosti Země - Slunce pM 25“…0,38 au pS 10“… 1 au pM 2,5krát větší pS Určování vzdálenosti Země - Slunce HALLEY1 VENUSE Edmond Halley 1656 - 17421742) Halleyova metoda stanovení sluneční paralaxy $ {\frac{{{AB}}}{c}=\frac{d-e}{e}=\frac{3}{7}}$ vzdálenost ZS…d vzdálenost VS…e posuv chord v dílech slunečního průměru, při znalosti úhlových rozměrů Slunce nalezneme d Určování vzdáleností - úhloměrný způsob Určování vzdáleností - úhloměrný způsob Určování vzdáleností - úhloměrný způsob Určování vzdáleností - úhloměrný způsob Určování vzdáleností v současnosti astrometrická družice Hipparcos - HIgh Precision PARallax COlleting Satellite 1989-1993, zpracování údajů Určování vzdáleností - fotometricky, spektroskopicky Určování vzdáleností – novy, přenos hmoty v těsných dvojhvězdách Maastransfer1.jpg jedna složka červený obr, druhá složka bílý trpaslík, přenos hmoty Určování vzdáleností - novy Určování vzdáleností - novy Novy • Odvržená obálka je větší než u planetárních mlhovin – 30 MZ, charakter hoření je explozivní, rychlost až 3000 km.s-1 GK Per Cyg 1992 Určování vzdáleností – cefeidy, Hubbleův zákon cefeidy - pulsující hvězdy, měnící svůj poloměr a jasnost Určování vzdáleností – identifikace cefeid v M 31 Určování vzdáleností - cefeidy, družice Hipparcos Supernovy Ia •těsná dvojhvězda: normální hvězda + bílý trpaslík (uhlíko-kyslíkový). •přetékající plyn se prostřednictvím akrečního disku ukládá na trpaslíka, při překročení hmotnosti 1,4 Ms - Chandrasekharovy meze dochází ke gravitačnímu kolapsu. • •exploduje celý bílý trpaslík 10 9 LS. • •Vexp = 25 00 km.s-1, neexistence vodíkových čar. Určování vzdáleností - supernovy Ia Určování vzdáleností galaxií Edwin Powell Hubble 1889 - 1953 v = H . r HUBBLE~12 hubble Hubbleův - Lemaitrův zákon Hubbleův - Lemaitrův zákon gal_spectra pro z > 0,1 Spektrální paralaxa hvězd podle intenzity vybraných spektrálních čar - rozlišení obrů a hvězd HP Určování vzdáleností - přehled metod Určování vzdáleností - přehled metod Určování vzdáleností spirálních galaxií - Tully-Fisher