Historie astronomie II. I. Vladimír Štefl Ústav teoretické fyziky a astrofyziky Astronomie v starověku Astronomie v starověku Říční civilizace Pozorování planet v Babylónii Starověký Babylón: pozorování nerovnoměrností - anomálií v pohybu planet, záznamy * (652 – 60) př. n. l. Saturn: GENNA = TUR + DIŠ → malá * Sachs, A.J., Hunger, H.: Astronomical Diaries and Related Texts from Babylonia. Verlag der Osterreichischen Akademie der Wissenschaften. Wien 1988. Pozorování Saturnu v Babylónii * Steele, J. M.: A Saturn ephemeris calculated using system a from Babylon. JHA 33 (2002), p. 261 – 264. Saturn - pozorování, dráhové parametry - Saturn: nejlépe pozorovatelný při opozici, 180o od Slunce, nejblíže Zemi, sledovatelný celou noc - zeměpisná šířka místa pozorování φ, δ deklinace planety, výška nad horizontem při horní kulminaci h = 90 o - φ + δ, největší výšky v zimních opozicích - nejvzdálenější tehdy známá planeta, ale dobře sledovatelná, pozorovaná hvězdná velikost (1,4 - 0,4) mag - pohybuje se z planet nejpomaleji (III. Keplerův zákon) Dráhové parametry: úhel mezi dráhovými rovinami Země a Saturnu i = 2,4845 o velikost velké poloosy dráhy Země aZ = 1,0000 au velikost velké poloosy dráhy Saturnu aS = 9,5370 au excentricita dráhy Země eZ = 0,0167 excentricita dráhy Saturnu eS = 0,0541. Pozorování Saturnu v Babylónii Pozorovány dvě anomálie (nerovnosti) pohybu Saturnu podél ekliptiky • tzv. zodiakální anomálie, nerovnoměrný pohyb Saturnu po keplerovské elipse - podél ekliptiky: za stejné časové intervaly rozdílné úseky → sledována změna rychlosti středního pohybu planety v závislosti na ekliptikální délce. • nápadnější druhou anomálií tzv. sluneční anomálií Saturnu byly pozorované - zdánlivé zpětné smyčky při pohybu podél ekliptiky proti základnímu přímému pohybu východním směrem → důsledek ročního pohybu Země • • objasnění anomálií→ klíč k osvojení planetárních pohybů * Anomálie vyloženy v Almagestu v rámci geocentrické soustavy. * Walker, C.B.F.: Babylonian observations of Saturn during the reign of Kandalanu. Ancient Astronomy and Celestial Divination, London 1999. Pozorování Saturnu - Almagest Teorie pohybu planet v délce je v deváté až dvanácté knize, pohyb Saturnu: 11.5. Určování excentricity a polohy apogea Saturnu 11.6. Určování velikosti epicyklu Saturnu 11.7. Oprava periodických pohybů Saturnu 11.8. O době periodických pohybů Saturnu 12.2. Určování zpětných pohybů Saturnu. Stanovení dráhových parametrů Saturnu - druhá polovina jedenácté knihy. Ptolemaios používá stejnou metodu jako při výkladu pohybu Marsu v sedmé kapitole desáté knihy a Jupitera v první kapitole jedenácté knihy. Určuje velikost excentricity a délku apogea deferentu, po kterém se přemísťuje střed epicyklu. Kružnice určena třemi body, Ptolemaios použil tři pozorovací údaje ekliptikálních délek planet a časové intervaly mezi jednotlivými pozorováními. Z tabulek středních pohybů planet nalezl odpovídající přírůstky ekliptikálních délek. Model pohybu Saturnu Model pohybu planet - představa, pohyb v délce zachycen prostřednictvím pohybu středu epicyklu po deferentu, pohyb v anomálii - pohyb po epicyklu. Vyjádření modelu vhodné numerické hodnoty parametrů, co nejpřesnějšímu zachycení pozorovacích údajů u Saturna. K určení úhlové rychlosti pohybu Saturnu po epicyklu a pohybu středů epicyklů (středních planet) po deferentu Ptolemaios využil pozorovací údaje následně uvedené. Výsledek: vztah mezi počtem synodických oběžných dob Saturnu a počtem úplných period přesunu planety na pozadí hvězd, tj. počtem siderických oběžných dob: 57 synodických oběžných dob = 59 roků + 1 3/4 dne = dvě siderické oběžné doby + 1 o 43´. Při zanedbání menších hodnot synodická oběžná doba S = 59/57 roků, tedy 378,06 dne → střední denní rychlost pohybu planety 0,952 o. Pozorování Saturnu v Almagestu Zmiňováno pět pozorování Saturnu, první čtyři Ptolemaios, páté neznámý babylónský pozorovatel Pozorování Místo Ekliptikální délka Datum P1 Alexandrie 181 o 13´ * 26. března 127 n. l. P2 Alexandrie 249 o 40´ * 3. června 133 n. l. P3 Alexandrie 284 o 14´ * 8. července 136 n. l. P4 Alexandrie 309 o 4´ 22. prosince 138 n. l. P5 Mezopotámie 159 o 30´ 1. března 229 př. n. l, První tři pozorování - poloha v opozici planety, úvodní z nich je noční. Dvě další P2, P3 odpovídají denní době, ekliptikální délky Ptolemaiosem odvozeny interpolací mezi předcházejícím a následujícím nočním pozorováním. Čtvrté pozorování P 4 je opět noční. * použity později Koperníkem v Obězích Pozorovaná smyčka Saturnu v červnu 133 n.l. P2 Alexandrie 249 o 40´ * 3. června 133 n. l. Saturn001 Pohyb Saturnu v Almagestu Sedmá kapitola jedenácté knihy, je tzv. korekční, využívá popsané páté pozorování, časově velmi vzdálené Shrnuto model pohybu Saturnu a jeho dráhy v Almagestu vycházel ze čtyř pozorování, pokrývajících pouze 35 % z celkové oběžné doby, tedy asi 10,5 roku. Je pravděpodobné, že Ptolemaios měl k dispozici více pozorovacích údajů, ale vybral pouze čtyři, které byly nejvhodnější k výpočtu dráhových parametrů. Tabulky poloh Saturnu v Almagestu – 9. stol. vpravo překlad levé části tt3 tt4 220o 01´ 10“ 57´´´ 9 IV 04 V 30VI střední pohyb Saturnu v délce (pohyb středu epicyklu po deferentu) v anomálii (pohyb planet po epicyklu) pohyby zachyceny v čase 18 egyp. roků Poměr velikostí poloměrů epicyklu a deferentu pro Saturn 0,103 nerovnoměrnost pohybu = deferent, epicykl + ekvant Pohyb Saturnu podle Almagestu pro vnější planetu Saturn je deferent její vlastní drahou, epicykl odráží dráhu Země oběžné doby: deferent - 30 roků epicykl - 1 rok 034_Ekvant ekvant: hyp. pozorovatel v Q - pohyb středu epicyklu V stálou úhlovou rychlostí 3. Vzdalování Měsíce od Země. Vzdalování Měsíce od Země vzdaluje se o 37 mm.rok-1 rychlost - 1.10-9 m.s-1 zvětšování doby rotace Země za jednu otočku 4,4.10-8 s laserové odražeče Apollo 14 Zpomalování zemské rotace – historická zatmění babylónská kronika: úplné zatmění Slunce 15. dubna 136 př.n.l. V 8 hod. 45 minut – Babylon vypočtený pás totality měl ležet nad Mallorkou, rozdíl zeměpisné délky 3 ¼ hod. důvod – tehdy větší úhlová rychlost rotace Země, postupně se zpomalovala, den se průměrně prodlužuje o 0,0016 s za století Podrobnější rozbor: F. R. Stephenson: Historical Eclipses and Earth´s Rotation. Cambridge University Press, Cambridge 1997. Astronomie v starověku Astronomie v starověku - Čína Důkazy o astronomických pozorovaních doložené na území dnešní Číny se datují již do dynastie Šang (商朝; šang čcháo, od 1554 – 1046 p.n.l.). U dnešního města Anjang (安阳) v bývalém hlavním měste Šangov – Jin (殷) sa v královské hrobce vládce Wu-Tinga (武丁; 14.-13. stor. p.n.l.) nalezly tzv. veštecké kosti, na kterých byly napsaná jména hvězd. Přibližne z tohoto období pochází první dělení oblohy na „dómy“ (宿; siou) nebo „zastavení“ Měsíce. V dané oblasti už tehdy používali měsíční kalendář, tzv. čtyřech období, který rozděloval rok na 12 měsíců po 30 dní. Pohyb Měsíce, východy hvězd v průběhu roku měly v Číne důležitý význam pro zemědělství. S postupem vývoje čínské přírodní filozofie a kosmologie se obloha začala popisovat pomocí pozemských objektů a osob. Vznikly starověké asterizmy - „hvězdní úřednící“ (星官; sing kuan), což se v tradici zachovalo do dnešních dnů. Vedle toho se v Číně používají i moderní souhvězdí IAU. Astronomie v Číně Astronomie v Číně Astronomie v Číně Astronomie v Číně počátky čínské astronomie 3. tisíciletí př. n. l. existence záznamů slunečních zatmění 2 697 př. n. l., z období 2 315 - 2 287 př. n. l. záznamy pozorování komet, státní letopisy, kroniky tvorba kalendáře, 12 měsíců po 29,5 dnech – délka roku 354 dnů, přechod k celoročnímu zemědělství, závislost na monzunech, délka roku zpřesněna na 365,25 dne. . Astronomie v Číně Astronomie v Číně Krabí mlhovina – historie, Čína Proč a kdy mlhovina vznikla? M 1 NGC 1952 1,8 kpc 8,4 mag 180 pc od gal. roviny 11 kpc od gal. středu vlastní pohyb 0,037“rok-1 • Historické záznamy pozorování exploze supernovy r.1054 Iba Yasuaki Čínský historický záznam pozorování supernovy r. 1054 Tchuo – Tchuo: ,,V prvním roce éry Č´-che (1054), v pátém měsíci, v den ťi-čchou (4. července), se (hvězda – host) objevila několik palců jihovýchodně od Tchien-kuan (Dzeta Tauri). “ Biot Édouarde 1843 Connaisance des Temps Historický rozbor textu Duyvendak, J. J. L r. 1942, PASP, 54, 91. •Pozorování supernovy r. 1054 • • • • pozorována 3 týdny ve dne téměř dva roky v noci rekonstrukce světelné křivky supernovy odhadované údaje: 27. července mv - 3.5 mag 615 dnů mv (6.0 ± 0.5 ) mag atypická supernova • Identifikace hvězdy ζ Tauri • • • hledání správné hvězdy ranní soumrak - úsvit minimální výška 6o pozorovatelnost v severní a centrální Číně - dynastie Sung pozice M 1 nyní 1o severozápadně • Objevení Krabí mlhoviny v novověku • John Bevis r. 1731 Charles Messier r. 1758 Mlhovina nebo hvězdokupa? pozorování dalekohledem William Herschel r. 1784 mlhovina bez hvězd William Parsons - lord Rosse r. 1844 popis mlhoviny, její název William Lassell r. 1852 velmi jasná mlhovina s dvěma resp. třemi hvězdami Astronomie v starověku - Egypt Astronomie v starověku - Egypt Sothic.jpg image6.jpg heliakický východ Síria – příchod záplav na Nilu, bůh Slunce Re - Ra, orientace os pyramid Ra_Barque.jpg Astronomie v starověku - Stonehenge Stonehenge_on_27.01.08.jpg nové nálezy v okolí, zdroj kamenů, velký kruh, větší počet jam s velkým průměrem, sídliště lidí - 2 500 př.n.l. kameny - sursery z West Wood, velký kruh Durrington Walls, průměr 500 m, neolitické struktury Astronomie v starověku - Stonehenge Stonehenge_cloudy_sunset.jpg Stonehenge zachycuje východy a západy Slunce ve dnech slunovratů N. J. Lockyer: Stonehenge and other British Stone Monuments. Astronomically Considered. Macmillan, London 1906. Astronomie v starověku - Stonehenge planeta.jpg Stonehenge - konjunkce planet 4. května 2002 Astronomie v starověku - Stonehenge Astronomie v starověku - Stonehenge Astronomie v starověku - Stonehenge Astronomie v starověku - Stonehenge Astronomie v starověku - Stonehenge Astronomie v starověku - Stonehenge Obsah obrázku text, snímek obrazovky, kruh, grafický design Popis byl vytvořen automaticky Durrington.jpg J. E.Wood: Sun, Moon and Standing Stones. Oxford University Press, Oxford 1978. Astronomie - Mayové Yucatánský poloostrov, rozsáhlé observatoře, civilizace 2. - 9. stol. n. l. měli propracovánu chronologii, zachycovali chod času pomocí čísel, cyklů, kalendář Mayů podrobně rozpracován, používali dva cykly po 260 dnech a 365 dnech, knihy hieroglyfů, Drážďanský kodex – znali výpočet zatmění, tabulka předpovědí – 1 034 zatmění, na období 206 - 647 n. l. Obsah obrázku text, mapa, rukopis, Písmo Popis byl vytvořen automaticky Astronomie - Mayové Astronomie - Mayové Obsah obrázku mrak, obloha, venku, budova Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku text, kreslené, kresba Popis byl vytvořen automaticky Astronomie - Inkové kultura Inků na vrcholu v 15. - 16. století, kulturní místo, kamenné město Machu Picchu 2 430 m.n.m. Obsah obrázku venku, mrak, obloha, krajina Popis byl vytvořen automaticky Astronomie - Inkové Machu Picchu plán města, 2 000 obyvatel Obsah obrázku text, mapa, atlas Popis byl vytvořen automaticky Astronomie - Inkové Machu Picchu, sluneční gnómon Intihuatana, chrám Slunce Obsah obrázku venku, mrak, obloha, hora Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku venku, Zříceniny, hora, kámen Popis byl vytvořen automaticky Studium komet - renesance Studium komet - renesance Studium komet - renesance Studium komet, poloh, vzdáleností renesance Tycho Brahe 1546 - 1601 životopis, výzkum pozůstatků spisy O nové hvězdě 1573 Druhá kniha o nedávných jevech v nebeském světě 1588 Přístroje obnovené astronomie 1598 ,,ne moc a bohatství, ale vědění vládne žezlem času“ Tycho_Brahe Tycho Brahe ,,kometa byla od nás tak daleko, že její největší paralaxa nemohla být větší než 15 stupňů. Odtud plyne, že by mohla být vzdálena přinejmenším 230 zemských poloměrů od Země. Z čehož pak dále vyplývá, že se nacházela mezi drahou Měsíce a Venuše.“ - rozbití teorie sfér Tycho Brahe mquadrant R = 2 m, Δ = 0,5 mm zední kvadrant - velmi přesný přístroj … čtyři osoby při pozorování Observatoř a přístroje Tychona Brahe TYCHOI nejpřesnější pozorovatel před vynálezem dalekohledu Uraniborg, Sterneborg Dlouhodobá přesná pozorování Marsu Marsdata Poznámky Paula Witticha 1546 - 1586 Tychonova geo-heliocentrická soustava Wittich Komety r. 1623 Prubíř obsahuje Galileovu optickou teorii komet komety - stoupající výpary a exhalace v zemské atmosféře, úhlové zpomalení výstupu přímková dráha komet směrem k zenitu, nepozorováno… oponent Grassi Orazio1583-1654 ve spisu Váha uvedl, že těleso komety a ohon nejsou zdrojem světla, nýbrž lámou a odrážejí sluneční světlo, ohon (plazmový) míří vždy od Slunce, kometa se nachází v nadměsíčním světě Podstata komet Obsah obrázku text, jízdní kolo, kniha, design Popis byl vytvořen automaticky Podstata komet italský astronom, právník Mario Guiducci 1585 - 1646, Rozprava o kometě, r. 1619 italský fyzik, astronom Galileo Galilei 1664 – 1642, Prubíř r. 1623 Podstata komet Mario Guiducci 1585 - 1646 Galileo Galilei 1564 - 1642 Podstata komet Galileo, příroda, matematika Galileo Galilei 1564 - 1642 fyzika sestoupila z oblohy po nakloněné rovině životopis zakladatel experimentální fyziky, r. 1589 jmenován profesorem na univerzitě v Pise r. 1590 O pohybu, dialog Alexandera a Dominika, odmítnutí Aristotelových představ o pohybu, o tělesech těžkých a lehkých, o tom, že rychlost padajících těles je závislá na jejich tíze, experimenty na šikmé věží v Pise - rychlost padajících těles je stejná pro všechna tělesa r. 1592 profesor matematiky na univerzitě v Padově, přednášky vycházely z Elementů Euklida, Almagestu Ptolemaia, výsledky vlastních experimentů Galileův dalekohled galtelelrg Galileo's_Telescope Hans Lipperschey 1608 objektiv spojka, okulár rozptylka Z ≈ 10 - 30 pozorování Galilea 1609 schema dalekohledu Galileův dalekohled posloupnost pozorování Měsíc, hvězdy, Jupiterovy měsíce, fáze Venuše, Saturn, sluneční skvrny Sidereus Nuncius - Hvězdný posel 1610 galileo Galileova pozorování Jupiterovy měsíce 7. ledna 1610 medicejské hvězdy 13. ledna 1610 Galileova pozorování výška hor na Měsíci x = 2 km Galileova pozorování v létě 1610 pozoroval krajní planetu - Saturn jako trojitou, de facto sledoval prstenec, závěr neučinil začal pozorovat sluneční skvrny, zakresloval jejich podobu, změny tvaru, jejich vznik a zánik, postup od východního okraje disku k západnímu, pohybovaly se nerovnoměrně přes sluneční disk, pochopil jejich souvislost s povrchem Slunce, ,,látka skvrn se nesbíhá ke Slunci, ale naopak z něj vychází…“ , shrnutí ve třech dopisech M. Welserovi, Historie a demonstrace slunečních skvrn 1613 skvrny poz. J. Fabricius 1587-1615, Ch. Scheiner 1575-1650 Galileova pozorování Galileo_moon_phases galileo slunce fází Měsíce sluneční skvrny Pozorování fází Venuše změna jasností, velikostí a úplný cyklus fází Venuše - důkaz heliocentrismu Dialogo sopra i due Massimi Sistemi del Mondo - Dialog o dvou hlavních soustavách r.1632 Dialog Dialog tří osob ve čtyřech dnech, Salviati (Galileo), Simplicio (Aristoteles), Sagredo (rozhodčí) posuzující kdo má pravdu První den - důkazy o proměnnosti nebeských těles (sluneční skvrny, nové hvězdy), vyvracení názorů Aristotela Druhý den - zkoumán pohyb Země, důkazy rotace, formulován princip setrvačnosti (kruhový pohyb) a princip skládání rychlostí, nezávislost doby kyvu kyvadla na hmotnosti Třetí den - diskuse o nově z. r. 1604, fáze Venuše, měsíce Jupiteru, důkazy heliocentrického uspořádání Sluneční soustavy, jak geometrické, tak i dynamické, zdůvodnění Koperníkovy soustavy Dialog Třetí den, ukázka: Simplicio: ,,Z čeho usuzujete, že místo uprostřed oběhu planet náleží Slunci, a ne Zemi?“ Salviati: ,,Docházím k tomu ze zcela očividných, tedy naprosto přesvědčivých pozorování“…,,všechny planety jsou jednou Zemi blíž, podruhé zase dál a rozdíly těchto vzdáleností jsou značné.“ Simplicio: ,, Ale čím budete dokládat, že se planety pohybují kolem Slunce?“ Salviati: ,,Pokud jde o tři svrchní planety, Mars, Jupiter a Saturn, jsou Zemi nejblíž, když jsou v opozici, a naopak nejdále, když se dostávají do konjunkce se Sluncem.“ Dialog Čtvrtý den - diskuse o mořských přílivech a odlivech, Galileova chybná představa o skládání rychlostí, příliv a odliv jako důsledek rotace Země a jejího oběhu kolem Slunce, přestože znal názory Keplera o tom, že slapy jsou vyvolávány přitažlivostí Měsíce a Slunce Discorso del flusso e reflusso del mare r.1616 Rozprava o příčinách přílivu a odlivu - dopis kardinálu Alessandru Orsinimu 1592 - 1626 Galileo: ,,Srážkové pohyby závisí na rozdílných polohách a délkách vzájemně propojených moří a jejich odlišných hloubkách, umožňují vzestup těmto nepravidelným poruchám vody, které způsobují starosti ustrašeným námořníkům …“ • • • • • • • • • • • • • • • • • Pohyb částice na povrchu Země – dvě složky první reprezentuje denní rotační pohyb Země druhá složka zachycuje roční pohyb Země kolem Slunce rychlost částice vody v místě P1 - součet rychlosti pohybu Země kolem Slunce a rychlosti bodu na povrchu Země v důsledku rotace Země v místě P2 přivráceném k Slunci je rychlost rovna rozdílu oběžné rychlosti Země kolem Slunce a rychlosti bodu na povrchu Země vyvolaném rotací. Galileova představa o přílivech a odlivech poměr rychlostí ročního a denního pohybu částice na povrchu Země 3 : 1, (1208/365), vzdálenost Země - Slunce 1 208 RZ skutečný poměr 64 : 1 Besedy Besedy a matematické důkazy o dvou nových odvětvích vědy, vztahujících se k mechanice a místnímu pohybu r. 1638 stejná forma i účastníci jako v Dialogu První den - diskuse o hodnotě rychlosti Sagredo: ,, Ale jakého typu a jakého stupně rychlosti musí být pohyb světla? Můžeme ho považovat za okamžitý nebo probíhající v čase jako druhé pohyby?“ Simplicio: ,,…světlo od plamene výstřelu bez jakékoliv ztráty času dopadá do našeho oka opačně než zvuk, který dopadá do ucha za značný časový okamžik.“ Sagredo: ,,…to však neznamená, že šíření světla probíhá okamžitě a nepotřebuje známý, ačkoliv malý časový okamžik.“ Galileo - význam důsledně vycházel z experimentu a jeho pečlivého pozorování zakladatel mechaniky – zákony volného pádu, pohybu po nakloněné rovině, matematické zpracování, skládání rychlostí, Galileova transformace, zákon setrvačnosti pro kruhové pohyby Dialog i Besedy - nejen díla fyzikální, astronomická, ale především filozofickou obhajobou heliocentrické Koperníkovy soustavy autor pronásledován katolickou církví, zakázán, r. 1633 Galileo odsouzen..., Besedy v protestanském Leydenu, 1822 Pius VII. povolil knihy s heliocentrismem, Jan Pavel II, 1992 …vzájemná nedorozumění Krabí mlhovina - historie Proč a kdy mlhovina vznikla? Jaká je její stavba a jak se rozpíná? M 1 NGC 1952 1,8 kpc 8,4 mag 180 pc od gal. roviny 11 kpc od gal. středu vlastní pohyb 0,037“rok-1 Vznik Krabí mlhoviny • Historické záznamy pozorování exploze supernovy r.1054 Iba Yasuaki Čínský historický záznam pozorování supernovy r. 1054 Tchuo – Tchuo: ,,V prvním roce éry Č´-che (1054), v pátém měsíci, v den ťi-čchou (4. července), se (hvězda – host) objevila několik palců jihovýchodně od Tchien-kuan (Dzeta Tauri). “ Biot Édouarde 1843 Connaisance des Temps Historický rozbor textu Duyvendak, J. J. L r. 1942, PASP, 54, 91. •Pozorování supernovy r. 1054 • • • • pozorována 3 týdny ve dne téměř dva roky v noci rekonstrukce světelné křivky supernovy odhadované údaje: 27. července mv - 3.5 mag 615 dnů mv (6.0 ± 0.5 ) mag atypická supernova • Identifikace hvězdy ζ Tauri • • • hledání správné hvězdy ranní soumrak - úsvit minimální výška 6o pozorovatelnost v severní a centrální Číně - dynastie Sung pozice M 1 nyní 1o severozápadně •Objevení Krabí mlhoviny v novověku • John Bevis r. 1731 Charles Messier r. 1758 Mlhovina nebo hvězdokupa? pozorování dalekohledem William Herschel r. 1784 mlhovina bez hvězd William Parsons - lord Rosse r. 1844 popis mlhoviny, její název William Lassell r. 1852 velmi jasná mlhovina s dvěma resp. třemi hvězdami Mlhovina nebo hvězdokupa? fotografie Krabí mlhoviny r. 1892 → jemná filamentová struktura, Isaac Roberts Čárové emisní spektrum Vesto Melvin Slipher r. 1913 - čárové spektrum rozštěpení některých čar, např. [O II] 372,7 nm → radiální pohyby filamentů v mlhovině - fialový či červený posuv v = c ∆λ/λ Čárové a spojité spektrum Roscoe Frank Sanford r. 1919 v čárovém spektru na pozadí spojitého spektra správně identifikoval šest jasných emisních čar H, He zdrojem čárového spektra je vláknitá struktura, obálka vnějších částí mlhoviny, teplota (15 000 – 20 000) K, 109 částic v m-3,vysoká teplota je důsledkem uvolňování tepla při srážkách druhá složka záření vytváří spojité spektrum, zdrojem amorfní látka - původ synchrotronové záření Josip Samuilovič Šklovskij DAN 90,1953 - hypotéza původu spojitého spektra - synchrotronové záření, potvrzeno V. A. Dombrovski, M. A.Vašakidze 1953 - lineární polarizace záření v optické oblasti ≈ 7% Spektrum Krabí mlhoviny Expanze Krabí mlhoviny John Duncan r. 1921, PNAS, vol. 7, 179 Changes observed in the Crab Nebula Taurus snímky 60ti palcovým dalekohled Mount Wilson říjen 1909 → duben 1921 = 11,5 roku stereokomparátor a mikrometr srovnávací hvězdy, šipky – trajektorie vláken a hvězd na 500 roků při konstantním vlastním pohybu závěr práce: zřetelný systematický pohyb vláken mlhoviny, náhodný pohyb hvězd celkem 12 bodů (vláken, uzlů) mlhoviny zachycujících její expanzi - mlhovina expanduje! Expanze Krabí mlhoviny srovnávací hvězdy, šipky – trajektorie vláken a hvězd na 500 roků při konstantním vlastním pohybu Expanze Krabí mlhoviny John Duncan r. 1939, ApJ 89, 482 Second Report on the Expansion of the Crab Nebula stejný dalekohled na Mount Wilson, interval 29 roků, měřeny polohy 20 bodů mlhoviny, šipky zachycují trajektorie na 500 roků při konstantní rychlosti, počátek expanze v bílé skvrně, v blízkosti centrální dvojhvězdy jižní složka dvojhvězdy 0,019“ / rok vlastní mlhovina 0,037“/ rok, při r = 1,3 kpc, 230 km.s-1 Duncan vyslovil hypotézu o zrychlování expanze Expanze Krabí mlhoviny Odkud mlhovina expanduje? • Hledání progenitoru pomocí fotografií • Herbert Curtis r. 1918 • Carl Lampland - PASP 33,1921, 79 John Duncan - Mount Wilson C 76,1921,179 • podezření na dvě centrální hvězdy Nova x supernova? Edwin Hubble r. 1928 PASP Leaflet 14, January 1928, 55 Novae or temporary Stars Z čeho mlhovina vznikla? Nova x supernova? Nicholas Mayall PASP Leaflet 119, January 1939 The Crab Nebula, a probable Supernova stav výzkumu mlhoviny, včetně spektroskopie, posun názorů - supernova Která hvězda je centrální? • Walter Baade r. 1942, ApJ 96, 188 The Crab Nebula rozdělení mlhoviny – vnější vláknová obálka, vnitřní amorfní struktura, úhlová rychlost expanze mlhoviny 0,2“/rok, zrychlování expanze objevené Duncanem označil za sporné r = 1,2 kpc, centrální hvězda, supernova I typu její pohyb, studium spekter dvou hvězd, úhlová rychlost expanse mlhoviny Která hvězda je centrální? • Rudolph Minkowski r. 1942, ApJ, 96, 199 The Crab Nebula první astrofyzikální pohled na mlhovinu a centrální hvězdu, určení teploty a zářivého výkonu mlhoviny, chemické složení H, He, O, S jižní hvězda je centrální hvězdou, odhadnuty její charakteristiky 30 000 LS, 500 000 K, 0,02 RS 1,8.105 ρs hypotéza – bílý trpaslík pokračující ve svém vývoji, 70 % degenerace Identifikované emisní čáry v mlhovině r. 1942 • Spektra mlhoviny (celková) • R. Minkowski r. 1942, ApJ, 96, 199 Čárové spektrum Jak mlhovina expanduje? • Virginia Louise Trimble r. 1968 Ph.D. • Motion and Structure of the Filamentary Envelope of the Crab Nebula • • předmluva, připomínky • • první komplexní studium expanze Krabí mlhoviny • • • • Studované fotodesky Proměřované emisní čáry Expanze Krabí mlhoviny trajektorie vlastních pohybů 132 uzlů v následujících 270 rocích při současné rychlosti snímek v čáře Hα z Mount Palomar Vlastní pohyby ve směru hlavní poloosy Vlastní pohyby ve směru vedlejší poloosy Expanze Krabí mlhoviny Spektroskopické metody určování elektronové teploty z intenzit čar [ O III ] při malém ne při určování hustoty elektronů z intenzit čar [ O II ] Te má přibližně stejný vliv na excitaci hladin u λ = 372.6 nm a λ = 372.9 nm Závěry práce proměřeny polohy, vlastní pohyby a radiální rychlosti 126 uzlů střed expanze nalezený zpětnou extrapolací leží jihovýchodně od dvojhvězdy v blízkosti středu mlhoviny počátek expanze r. 1 140 vzdálenost Krabí mlhovina je zvýšena ≈ 1,8 kpc Virginia Trimble r. 1970, PASP 82, 375 Optical studies of the Crab Nebula-Line emission component - kinematická analýza expanze mlhoviny Expanze Krabí mlhoviny při současné velikosti velké poloosy mlhoviny R = 6´, což při vzdálenosti r = 1,8 kpc dává s ≈ 1016 m v je průměrná současná rychlost expanze stanovená z rozpínání mlhoviny 0,2“rok-1, v ≈ 1,6.106 m.s-1 v0 je počáteční rychlost expanze mlhoviny t je čas (1950 – 1054) = 896 roků x 3,156.107 s při současném zrychlení a = 8,2.10-6 m.s-2 dává v0 = 1,37.10 6 m.s-1 ze vztahu (2) určená hodnota s ≈ 10 16 m Expanze Krabí mlhoviny Richard Nugent r. 1998, PASP 110, 831 New Measurements of the Expansion of the Crab Nebula Obálka expandující mlhoviny – opticky jasné zářící vlákna, analýza jejich pohybu, srovnání poloh po přibližně dvaceti rocích - 1939, 1960, 1976, 1992, na fotografiích s vysokým rozlišením Expanze Krabí mlhoviny - Nugent C,D,F,G referenční hvězdy středy expanze Duncan Trimble Nugent Expanze Krabí mlhoviny trajektorie vlastního pohybu 50 uzlů v následujících 250 rocích současnou rychlostí snímek v čáře Hα z Mount Palomar Parametry expanze • Eliptický tvar – rotační elipsoid, b/a = 0,67, • úhlová velikost os 4´a 6´, skutečná 2 pc a 3 pc při vzdálenosti mlhoviny 1,8 kpc • ve směru hlavní osy expanze v ≈ 1 700 km.s-1 u vedlejší osy v ≈ 1 100 km.s-1 vnitřní část expanduje v ≈ 700 km.s-1 vnější část v ≈ 1 600 km.s-1 vlákna tvoří dvě soustředné obálky o průměru 135“ a 340“ s rychlostmi rozpínání 700 km.s-1 a 1600 km.s-1, mezi nimi ojedinělá vlákna Která hvězda je centrální? • David Staelin, Edward Reifenstein r. 1968, Science 27, vol. 162, 1481 definitivní potvrzení - nalezení dvou pulsarů, ztotožnění s jižní hvězdou - PSR 0531+21 Vzdálenost pulsaru PSR 0531+21 • disperze rádiových vln ∆t ≈ několik sekund, ne = 2,8.10 4 m-3 , potvrzeno upřesnění vzdálenosti d ≈ 1,8 kpc, r. 1969 Severní výtrysk Sidney van der Bergh r. 1970, ApJ, 160, L27 – objev severního výtrysku - jetu, hypotéza o jeho expanzi a původ při explozi supernovy Severní výtrysku Gwen Rudie, Robert Fesen, Toru Yamada r. 2008 MNRAS 384, 1200, analýza pohybu 35 uzlů, expanze ve směru osy válce ≈ 4 000 km.s-1 Chemické složení • Joseph Miller, r. 1978, ApJ 220, 490, chemické složení větších oblastí, - He, H, N, O, Ne, S vysoký obsah He ≈ H, stanovení teploty Chemické složení • Kris Davidson, r. 1978, ApJ 220, 177, chemické složení 9 malých oblastí, - He, H, N, O, Ne, S severní oblasti obsahují méně kovů než jižní oblasti, obsah je podstatně menší než u Slunce, (50 – 75) % obsahu podle hmotnosti tvoří helium B, C, D, E referenční hvězdy Chemické složení • Kris Davidson, r. 1979, ApJ 228, 179, stejný výchozí pozorovací materiál, podrobná analýzy relativních intenzit vybraných čar zjištěna například v oblasti D2 čára uhlíku Chemické složení • Kris Davidson, Robert Kirschner, Theodore Gull, Robert Fesen r. 1980: • Chemické složení - He, H, N, O, Ne, S, v jednotlivých oblastech a vláknech s narůstající vzdáleností od ionizujícího zdroje ↑ He/H od 0,15 → 1,2, obsah helia je asi 5krát větší než u typických emisních mlhovin Gordon MacAlpine r.1989 ApJ 342, 364, v některých vláknech obsah helia až 95 % Cíl výzkumu chemického složení: Jaký typ supernovy produkuje zjištěné chemické složení mlhoviny? supernova II typu Exploze supernovy II typu T ≈ 6.109 K proběhne fotodisociace za des. sekundy Chemické složení Krabí mlhoviny vodík – oranžová Hα 656,3 nm dusík – červená N II 658,3 nm síra – růžová S II 673,1 nm kyslík – zelená O III 500,7 nm Jaká je hmotnost mlhoviny? • Čím více se mlhovina zkoumá, tím má větší hmotnost! • 1957 ~ 0,2 MS, 1968 ~ 1 MS, 1978 ~ 2 MS, • 1997 - celková vláknité struktury odhadována ≈ 3 MS + 1,4 MS pulsar - (4,4 ± 1,8) MS • vzhledem k chemickému složení, progenitor 10 MS, obsah kyslíku není výrazně vyšší, hmotnost progenitoru < (12 – 13) MS • • Kde je zbývající hmotnost? • Expanze Krabí mlhoviny Značná redukce fyzikálního obsahu - vytvoření prostoru pro hlubší aplikaci fyziky → Tématický celek Astrofyzika neexistuje! Využití základních fyzikálních pojmů a zákonitostí při interpretaci astrofyzikálních dějů pulsar – neutronová hvězda – tuhé těleso Procvičení pojmů rotační perioda, úhlová rychlost, úhlové zrychlení, moment setrvačnosti, kinetická energie rotujícího tělesa, zákon zachování energie Jak transformovat astronomickou krásu do gymnaziální fyzikální výuky? Transformace do výuky mechaniky - pulsar v Krabí mlhovině moment setrvačnosti tuhého tělesa - koule rotační kinetická energie úhlová rychlost změna rotační energie při M = 1,4 MS, R = 10 km, P = 0,033 s, dP/dt = 4.10-13 jeho vznik – zákon zachování momentu hybnosti Krabí mlhovina odpovídá změně rotační energie za sekundu rotující magnetický dipól, ve vnitřní části mlhoviny produkce vysoce energetických částic při zářivém výkonu Krabí mlhoviny 5.10 31 W Zjednodušení problematiky: úbytek kinetické rotační energie = vyzářená energie expanzní energii zanedbáváme Transformace do výuky elektromagnetického pole Čárové spektrem vodíku, energetické hladiny, Balmerova série vodíku Krabí mlhovina ve světle čáry Hα Expanze Krabí mlhoviny 1951 - 2007 Určování rychlosti expanze Krabí mlhoviny • •prostorovou, nesymetrickou a s rychlostí v čase slabě proměnnou expanzi zjednodušíme na expanzi plošnou, symetrickou a s konstantní rychlostí • •měřítko fotografií se stanoví ze známé úhlové vzdálenosti φ dvou hvězd A a B rovněž zachycených na fotografii: • • • • • •určení úhlové rychlosti expanze • z analýzy dvou fotografií, pořízených v čase t1, t2 A: xA(t1), yA(t1) B: xB(t1), yB(t1) pulsar: x0(t1), y0(t1) t1 = 1973 uzel i: xi(t1), yi(t1) Odečítání poloh hvězd a uzlů •polohy lze odečítat přímo z digitálních fotografií • v pixelech •je zapotřebí vidět současně obě fotografie •jednoduchý program je k úloze k dispozici • • 1973 2000 poloha kurzoru v obraze výpis souřadnic načtení bitmapy Příklad vyhodnocení v Excelu Stáří mlhoviny Závěry pro gymnaziální výuku •Problém začleňování poznatků z moderní astrofyziky do gymnaziální výuky fyziky •Promyšlené využití fyzikálních vědomostí žáků •Motivačním faktorem - krása vláknité struktury Krabí mlhoviny •Zájem učitele a žáků •Žáci mají právo dostat odpověď na otázky vzniku a expanze Krabí mlhoviny • • • Literatura • [1] Sanford, P. F.: PASP 31, 108, 1919, p 108. • [2] Duyvendak, J.J. L.: Further Data Bearing on the Identification of the Crab Nebula with the Supernova of 1054 A.D. PASP, 54, 1942, p. 91. • [3] Šklovskij, J. S.: On the Nature of the Crab Nebula´s Optical Emission. Doklady AN, SSSR. 90, 1953, p. 983. • [4] Trimble, V.: Motions and Structure of the Filamentary Envelope of the Crab Nebula. The Astronomical Journal, 73, number 7, 1968, p. 535. • [5] Trimble, V.: Optical studies of the Crab Nebula – Line emission Component . ThPASP, 82, 1970, p. 375. • [ 6] Trimble, V.: The distance to the Crab Nebula and NP 0532. PASP, 85, 1973, p 579. • [7] Schaller, E. L., Fesen, R. A.: The Nature of [Ar III]- Bright Knots in the Crab Nebula. The Astronomy Journal, 123, 2002, p. 941 – 947. •. • Literatura • • [8] Bejger, M., Haensel, P.: Moments of inertia for neutron and strange stars: Limits derived for the Crab pulsar. Astronomy&Astrophysics, 396, 2002, p. 917-921 • [9] Bejger, M., Haensel, P.: Accelerated expansion of the Crab Nebula and evaluation of its neutron-star parameters. Astronomy&Astrophysics, 405, 2003, p. 747-751. • [10] Nugent, R.L.: New Measurements of the Expansion of the Crab Nebula. PASP, 110, 1998, p. 831. • [11] Bejger, M., Haensel, P.: Accelerated expansion of the Crab Nebula and evaluation of its neutron-star parameters. Astronomy&Astrophysics, 405, 2003, p. 747-751. Model Krabí mlhoviny sférický model – jednoduchá prezentace Krabí mlhoviny, ve skutečnosti mnohem komplikovanější, Rmlh ≈ 1,25 pc, klíčovým prvkem je současná hmotnost (4,4 ± 1,8) MS - 1997 Třídimenzionální elipsoid – jednoduchá prezentace Krabí mlhoviny, ve skutečnosti mnohem komplikovanější, 3D modely po roce 1980, David Clark r. 1983, MNRAS 204,415 vlákna tvoří dvě soustředné obálky o průměru 135“ a 340“ s rychlostmi rozpínání 720 km.s-1 a 1800 km.s-1, mezi nimi ojedinělá vlákna Model Krabí mlhoviny model 3D David Clark r. 1983, MNRAS 204, 415 pole radiálních rychlostí Dynamika stavební struktury mlhoviny Jeff Hester r. 1996, ApJ 456, 225 HST WFPC2 zkoumání interakce mezi synchrotronovou mlhovinou řízenou pulsarem a vymetenými výběžky, výzkum magnetických nestabilit radiální vlákna z vnější obálky, jejich tvar dán Rayleigh-Taylorovou nestabilitou Krabí mlhovina v různých oborech Krabí mlhovina v různých oborech Krabí mlhovina v různých oborech Krabí mlhovina v různých oborech Spektrum Krabí mlhoviny Krabí mlhovina – rádiový zdroj John Bolton 1948, rádiové záření z Krabí mlhoviny Spektrum Krabí mlhoviny Jaké fyzikální mechanismy objasňují pozorované spektrum ? Jaká je interpretace uvedeného spektra ? Josip Samuilovič Šklovskij DAN 90,1953 hypotéza původu spojitého spektra - synchrotronové záření Dombrovski 1953 - lineární polarizace záření v optické oblasti 7%, u některých detailů až 60% Vzhled Krabí mlhoviny, polarizace světla Přeměny energie v Krabí mlhovině Jaké fyzikální procesy umožňují přeměnu rotační energie pulsaru na expanzi mlhoviny? Síla působící na plazmová vlákna je převážně způsobena relativistickými elektrony a magnetickými poli Úbytek kinetické rotační energie = vyzářená energie + spotřebovaná energie na expanzi Přeměny energie v Krabí mlhovině Rotační energie je transformována na záření dEr/dt a energii nezbytnou k akceleraci expanze mlhoviny do okolního prostředí dEexp/dt ,pro zjednodušení výpočtů zavedeme aproximaci sférické symetrie Rotační energie neutronové hvězdy je disipována → emise částic, elektromagnetických vln prostřednictvím interakce pulsaru s obklopující plazmou Přeměny energie v Krabí mlhovině Perioda pulsace Pp = 0,03340 s dPp/dt = 4,20997.10-13 s.s-1 čemuž odpovídá Ωp = 188.101 s-1 dále dΩp/dt = - 2.37071.10-9 s-2 Krabí mlhovina v různých barvách Expanze Krabí mlhoviny mH je hmotnost atomu vodíku, Mneb je hmotnost mlhoviny, nH je počet atomů v cm-3 - 0,2 kinetická energie vstřikovaná nezbytná k expanzi mlhoviny Krabí mlhoviny v rtg. oboru Krabí mlhovina Krabí mlhovina