i i “5-3-Cadez-naslov” — 2009/3/27 — 12:14 — page 1 — #1 i i i i i i List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje ISSN 0351-6652 Letnik 5 (1977/1978) Številka 3 Strani 152–157 Andrej Čadež: ZANIMIVOSTI IZ ASTROFIZIKE Ključne besede: astronomija. Elektronska verzija: http://www.presek.si/5/5-3-Cadez.pdf c© 1978 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije c© 2009 DMFA – založništvo Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo- ljeno. ZAN 1MIVOSTI 1Z ASTROF 1ZIKE Ko ste gleda li zvezde, ste se gotovo kdaj vpra šali, kak šne so od blizu in zakaj svetijo . Ljudje so tisočletja ugibali o na- ravi zvezd, vendar so ta vprašanja mo rala počakati na odgovor vse do preteklega stoletja. Do takrat so bile zvezde, vsaj za večino astron omov, objekti, ki niso imeli nič s kupnega z nar a- vo, kot so jo poznali na Zemlji in zato vprašanja o snovni zgradbi zvezd niso imela pravega smi sla . Prvi namig o sorodnosti snovi na Zemlji in v zvezdah je dalo Newtonovo odkritje gravitacij skega zakona . Ta zakon pravi, da je gravitacijska sila med dvema telesoma so razmerna s produk- tom mas obeh teles, deljenim s kvadratom razdalje med njima . Vesoljskim telesom - tako Zemlji kot Soncu in planetom - je s tem zakonom pripisan skupen pojem mase, to je ko ličine, ki me- ri "množ ino snovi" v te les ih . Zakon gravitacije pa o zgradbi sno vi ni povedal nič več . šele 1859 je nemški fizi k Ki r c hhof f napravil zanimiv poskus. Pred izvir svetlobe (svečo) je postavil stekleno kiveto, v kateri so bile natrijeve pare, nato pa je s prizmo razklonil svetlo- bo, ki je pri hajala skozi kiveto . V rume nem de lu spektra t e svetlobe je opazil temno črto . če je natr ijevo paro segreval , je bila temna črta vse šibkejša, ko pa je temperatura pare pre- segala temperaturo plamena, se je na mestu, kj e r je bila prej temna č r t a , pojavila svetla črta. To ga je prepričalo, da je natrijeva para odgovorna za nastanek temne (absorpcijske) ali s vetle (emisijske) spektralne črte v spek tru. še pred Kirchhoffom so znanstven iki spr izmo razklo ni li svet - l obo s Sonca in dognal i, da se v spektru pojavl jajo temne črte. Ki r c hhof f je ugotovil, da je ena od izrazitih temnih črt v spektru sončne svetlobe na istem mestu kot črta, ki jo je opa- zil pri svojem poskusu z natrijevimi parami. Odtod je sklepal, da nastane temna črta v sončnem spektr u zato, ker prihaja s ve- t loba iz v r o č e not ranjosti Sonca skozi hl adnejše zunanje plasti, 152 ki vs e buj ej o tudi natrijevo paro. Potem so se podobna odkritja kar vrstila. Na Soncu so "na šli" vse elemente, ki jih najdemo tudi na Zemlji. Razlika j e le v tem , da so elementi na Soncu v pl inastem stanju in so t a ko v ro č i, da se posa me z ni a t omi ne mo re jo družiti v mole kul e k emi čnih spoji n kot na Zemlji. Ta spoznanja so dvignila tančico skrivnosti z zvezdne snovi in znan stvenikom se je ponuj al sklep, da veljajo tudi za zvezdno snov naravni zakoni , ki s o jih odkrili na Zem l j i. Iz a s t r ono- mij e in f i zi ke j e z r a s l a nov a veja z nanos t i - a s trof iz ik a, ki je posku šala z uporabo fi zik alnih za konitosti pojasniti last- nosti zvezd . Začetni uspehi s o bi 1i ohrabrujo či , vendar pa ni manjk alo tudi perečih pr obl emov , za ka t e r e s e je zde lo , da jih ni ka kor ni mog o č e r eši t i . Pr eda leč bi nas zaneslo , č e bi hot el i sl editi zgodovi ni astro- fizi ke, zat o si ogl ejmo le ne kat er e za ni mivo s t i . Med vprašanja astrofizi ke, ki so bila dol go ner e š ena , je spa- dal o vpra š anj e o izvoru ener gij e v zve zd ah . Izmerili so , da prihaja s Sonc a na vrh Zemeljske ga ozr a čja svetlo bni to k okrog 1300W /m 2*. Iz podat ka, da je Zeml ja 150 milijonov ki l ome t r ov oddaljena od Sonca , lahko iz ra čunamo, da seva Sonce v prostor okrog 3 , 7 . 102 6 W (to j e izs ev Sonca) . Iz računajmo še , koli k- šn o m oč proiz vaj a v pov p r e čju vsa k ki l ogr am snovi v Son cu. Ke r je masa Sonc a približno 2.10 30 kg** , sledi, da proizvaja vsa k ki l ogr am snovi v povprečju le okrog 1 ,9 .10- 4W . To pa je zelo majhna moč , saj tro ši npr. žarnica žepne baterije okrog 1 W. Potreboval i bi torej o kr og 5 ton sončne snovi, da bi poganjal i na vad no bateri js ko žar ni co! Sonce proizvaja na enoto mase ze l o malo energije in je prav * Črna plošča s povr šino 1m 2, ki je postavlj ena tako, da pada nanjo sončna svetloba pravokotno , sprejme vsako sekundo okrog 1000Ws energij e , pr eo- stal ih 300 WS pa večinoma odbije a tmosfera. Prav to dejstvo izkori ščajo razne sončne peči. ** Maso Sonca lahko i z r a č u namo i z Newtonovega gravitacijskega zakona , če poznamo oddaljenost Zemlje od Sonca , periodo kroženja Zemlje okrog Son- ca t er grav itacijsko konstanto . Periodo kroženj a (1 leto) so poznal i z vel iko natančnostjo že stari Egipčani. Gravitac ijsko konstan to je prvi izmeril Cavendish 1798 , oddaljenost pa je tudi že znana . 15 3 šibko v primeri z že pno baterijo . Prime rjav a pa s e hitro ob rne v korist Sonca, če r a zmis l i mo , kol iko časa sveti Sonce in kak o dolgo sveti žepna bateri ja. Vzemimo, da tehta vlo že k žepne ba- terije le 10 g, sveti pa re cimo 5 ur . Hitro lah ko i zra čun amo, da bi s petimi tonami vložkov za žepno bater ij o lah ko svetili približno 285 let, Sonce pa s ve t i očitno mnogo , mnogo dl je . Ena prvih ugank astrofizi ke je bila , kako us pe Sonce tako dol - go pr oizvajati to1ikšne ene rg i je . Nobeden od meha n izmov, ki so jih poznali v preteklem stoletju na Zemlji (baterije in akumu- l a t or j i , mnogo usp ešnejše gorenje premoga , nafte itd .), ne bi vzdržal primerjav e s Soncem . Ang leški ast rofizik preteklega stol etja Sir A.S . Eddington je menil, da svet i Sonce na račun svoje grav itacijke energ ij e. Misli l je, da se ze lo po časi krči; gravitacijska sila, ki deluje na posamezne pla sti Sonc a , naj bi zato oddajala delo. S t em privzetkom je l ahko oceni l dana š- nj o s taros t Sonca (račun lahko ponovi tu d i brale c, če privza- me, da je Sonce od zače tk a sveti lo z dan a š nj i m izsevom in da je masa homogeno porazd eljena po notranjosti) na 30 milijonov l e t . To se j e zdela že kar častitljiva do ba i n Eddin gton je mis lil, da je dobro zade l starost Sonca. Geologi pa nikako r niso bili tega mnenja . Tr d il i so , da so ne katere kamnine na Zemlj i stare več mil ija rd let in je nesmiseln o govoriti, da bi bi lo Sonce toliko mlajše od Zemlje . Včasih tudi zelo vroča raz prava o tem vpra š anj u je dobila svoj epilog šele malo pred d rug o sveto vne vojno z od kritjem jedrske energije . Izračunali so, da bi l a hko Sonce, v ka t e r em s e zli va vodik v hel ij, gorelo (mislimo seveda gorenje v smislu j ed rs- kih reakcij) okrog sto milijard let, preden bi s e ve s vodik spremeni l v he l i j . Res ve like kora ke pa je astrofizika zače la de lati v petde setih letih tega sto letja . Znanst venik i so ime li že toli ko eksp eri - mentalnih podatkov, da so mog l i na pr avi t i račun ske modele zvezd . Le prvi mod el i s o da l i ze lo le pe r ezultate . Ce so vze- li, da so zvez d e s e s tav l j e ne v gla vnem ( 75% a l i več) iz vodi - ka , ki v nj ih ovih s r edi c ah pri kaki h pet na j st milijo nih st o- 154 pinj gori v helij (podatke za odvisnost hitrosti gorenja od temperature i n gos tote so dobi li od jedrskih f i zi kov ) , so mog- l i napovedat i radije zvezd, njihovo temperaturo ter izsev v odvisnos t i od mase. Tako izračunani podatki so se l e po ujemali z izmerjenimi. Pokaza lo se je, da l ah ko potekajo jedrske reakcije le v sredi- cah zvezd, kjer temperatura preseže deset mi lijonov stopinj. Sredice zajemajo le okrog desetino vse mase zvezde i n zato lahko Sonce uporab lja vodik kot gorivo kakih devet milijard let. Po ocenah geqlogov, ki so študirali kamnine na Zemlji in na Luni ter po raznih oce nah značilnosti na površini Marsa in Merkurja sklepajo, da je današnja starost sonč nega sistema in s tem tudi Sonca okrog 4 ,5 mi lijarde let. Po teh računi h ima Sonce v svoj i sredici še za š t i r i do pet milijard l e t goriva . Z r a č u n s k i m i modeli zvezd, ki jih obdelujejo z elektronskimi računalniki, so uspeli zasledovati tudi življenje zvezd . Ugo- tovi li so, da nastajajo zvezde iz zelo ve l ikih (nekaj svetlob- nih let v premeru) a zelo redkih (nekaj atomov v cm 3) ob lakov medzvezdnega plina, ki so v na ši Ga laksij i in tudi v dr ugih galaks ijah. Ob laki se zaradi lastne gravitac ije najprej ze lo počasi nato pa hitreje krčijo in segrevajo . Ko se dovolj se- grejejo, so še vedno zelo veliki in novo nas tale protozv ezd e zasvetijo kot nekaj tisoč Sonc. Meglica v ozvezdju Oriona je velik oblak plina, prav takšen, kakršnega so astrofiziki iskali kot rojstni kraj zvezJ. V ob- laku je že nekaj "pravkar" rojen ih zvezd ("pravkar" seveda po- meni, da zvezde niso starejše od nekaj deset milijonov le t). Razen tega pa je tam še veliko plina, ki bo lahko služil kot surovina za nas tanek še novih protozvezd. Seveda so ta rojstni kraj zvezd astronomi že dalj časa opazovali in 1954 se je v oblaku pojavila zvezda, ki je prej še ni bi lo. Opazovanja so v veliko zadoščenje astrof izikov potrdi la njihova pričakovanja . Tudi staranje zvezd so uspe li obravnavati z računsk imi mod e l i i n tudi na tem področju je uporaba fizikalnih met od in zakonov prispeva la k razjasnitvi marsikaterega pojma. Uspe li so pojas- 155 Sl. 1 : Meglica v Orionu (M42) . Za pogled je to najlepša meg- 1ica ob z imskih večeri h . Vidna je v meču ozvezdja Orion že z manj ši m da1jno- gl edom. Sl . 2: Megl i ca M1 6 j e - podob no kot megl ic a v Orionu - rojstni kraj pr otozvezd. Opazuj emo j o lah ko v j esen- sk i h veče ri h v ozve zdju Ka- če bl i zu meje z ozvez dj em Sč i ta ; najb li žj a sve t l a zve zda j e gama v Sčitu . niti nast anek belih pritli kav k - zv ezd , ki s o kom aj t olik šn e kot Zeml j a , a nj i hova masa je skor a j to li kš na ko t Sonč e va. Trideset l e t pred od kri tjem s o napo veda l i obs t oj nevtrons kih z ve zd (gl e j Pre se k Q(197 2) 8 ) . Te so še do sti bo l j ne na vadne kot bele pritlikavke, saj j e ma sa, ki ustreza masi Sonc a , zbi- ta v krog lo zradijem 10 km. Danes pa burijo duhov e čr ne lu k- nje, ki so še deset krat manj še od nevtrons kih zvez d . Tukaj nimamo pros tor a, da bi s e podrobneje ukvarj ali s temi zanimi vimi primeri. Vidimo pa lah ko, da j e astrofizi ka v zad- njih petdesetih letih napravila ve likanske korake, ki so bi- stv eno sp remenili našo sli ko o vesolju . č l o v ek bi sk ora j dobil vtis, da je večina problemov že re šenih . Seveda ni ta ko . Celo Sonc e , za katerega smo že nek aj let ve r - jel i, da ne skriva novih presenečenj, je v zadnjem čas u odpr- lo nova vpra šanja. V Prese ku boste bra l i , da so po s kuš al i i zme r i t i to k nevtrinov s Sonc a . Pos kus kaž e , da j e to k ne kaj- krat manj š i od napovedaneg a . Zakaj je tako, nam še danes ni jas no . Ve či na a s tr of i ziko v je na prej ve rjela, da j e pos kus merjen ja to ka nevtrinov zaradi izredne zahtevno sti ne natančen in mu za to niso pripisov ali posebnega pomena . Po dol g ih l eti h ponavljanja teg a pos kus a pa mu vs e bol j za upamo. 156 Raren tega j e b i l a Ian1 narejena He ena meritev v zvezi s Son- eem. I z a e r i l i so, da povrfina Sonca rad ia lno nfha z smplituda I okrog 10 km Sn s period0 ene ure. Amplftuda nlhanja j e za Son- ce, katerega premer j e 700 000 kw, z e l o majhna i n za to samo nihanje a s t ro f f r i kov prav n f E ne preseneta - ce to Eudil l b i se , Ce b i b f l o Sonce popolnoma mirno, PreseneEa pa period8 n i - Qanja. Oanainji rnodeli Sonca namret napovedujedo san jo s t abe t r i urs i n ne enu uro kot ka2e meritev. Tudi %a meritev j e , pedobno kot t f s t a z nevtrqni , z e l o zahtevna, pa t u d f r e t u l t a - ts bS se morda d a l o tolmaEit i na vet naEfnov. Danes se t e ponujaju nekatere no2 n o s t i zs reSi tev omenjent h problemov. Ee b i b i l a temperatura v sredfSEu Sonca l e malo n i t j a - bakih dvana js t mflfjonov s t o p f n j namesto pe tna j s t , b i b i l reJen taka probl em nevtrinov, kot problem periode n lhan ja . Nu b o l j zanes l j fv odgovor pa bomo morali Eakati Le nekaj l e t , I d a bo mogote natanEno preverf t f vse r e z u l t a t e meritev i n raEu- nov. Take I n podobne te fave navadno vzpodbudljo razvoj znanostf. t e veEkrat se j e zgodila , da j e njihova reSt tev pomenila odkr i t - j e , kt je b t l o pomeslbno za razumevanje l a s t n o s t l snovi tako v zveadah kot na Zeml j 4 .