VESMÍR

Vesmír je soubor všech kosmických těles a polí, které na sebe vzájemně působí.

Délkové jednotky:

• astronomická jednotka (AU) – umělá jednotka charakterizovaná střední vzdáleností Země – Slunce.
  1 AU = 149 597 892 km
• parsek (pc) – vzdálenost z jaké je vidět 1 AU pod úhlem 1”. 1 parsek lze definovat také jako 1 AU/sin 1”.
  1 pc = 3,0857 * 10¹³ km = 206 264,8062 AU = 3,2617 ly
  Roční paralaxa tělesa je malý úhel v trojúhelníku Slunce – Země – hvězda.
• světelný rok (ly) – vzdálenost, kterou světlo ve vakuu urazí za 1 pozemský rok. Za 1 pozemský rok světlo urazí 9 454 254 955 488 km.

Předpokládá se, že stáří vesmíru je asi 12 až 18 miliard let. Právě do tohoto období je kladen tzv. velký třesk (big bang), kdy došlo k výbuchu hmoty o takřka nekonečné teplotě a hustotě, přičemž tato hmota měla velikost bodu.

GALAXIE

Naše Galaxie je stará 12 miliard let (o čemž svědčí její spirálový charakter) a má hmotnost 2 * 10¹² M_S, tj. 3,98 * 10⁴² kg. Průměr Galaxie je 30 kpc, tloušťka v místě jádra 4 kpc, její střed leží ve směru souhvězdí Střelce. V Galaxii je 20 miliard hvězd o celkové hmotnosti 10¹¹ M_S. Gravitace sice drží Galaxii pohromadě, ale jejím hlavním pojítkem je její hybnost. 95 % hmoty Galaxie tvoří hvězdy a hvězdné systémy a zbytek prach. Ve spirálovitých ramenech Galaxie je soustředěna temná hmota, která nezáří. Sluneční soustava leží 7,89 kpc od středu Galaxie, oběžná rychlost Slunce je 250 km * s^{-1 a oběžná doba 200 milionů let.}

Poznámka: Mléčná dráha je pohled v rovině osy Galaxie do jejího středu.

Dle Edwina Hubbla třídíme galaxie na

• eliptické E      E (z) = 10 (a – b)/a , kde a je velká a b malá poloosa.  Zvláštním typem eliptických galaxií jsou kulové galaxie.
• spirální SA,
• spirální s příčkou SB a
• nepravidelné Ir.

Galaxie jsou podobně jako hvězdy vázány ve větší skupiny. V místní skupině jsou kromě naší Galaxie největší M 31 (Velká galaxie v Andromedě) a Velký a Malý Magalhâesův mrak.

HVĚZDY

Hvězdy jsou plynné kulové objekty složené z plazmy, mají velkou teplotu a probíhají v nich termojaderné reakce. Hvězdy vznikají z protohvězdných mlhovin v celých skupinách. Po zapálení termojaderné syntézy dojde k vymetení zbylé mezihvězdné látky (gravitačního tmelu) silným hvězdným větrem. Většinou vzniknou postupně rozpadávající se skupiny hvězd (hvězdné asociace) nebo hvězdokupy. Podrobněji viz Základy kosmologie.

Hvězdné velikosti

Zdánlivá jasnost všech nebeských objektů, jak se jeví pozorovateli na Zemi, se definuje jako hvězdná velikost neboli magnituda m (M). Nejjasnější jsou Slunce, které má magnitudu – 26,8, a Měsíc v úplnku, magnituda – 13,6. Blízké planety mají magnitudu mezi – 4,6 a – 2,6. Nejslabší objekty viditelné pouhým okem mají magnitudu 6. Vztah mezi osvětlením a zdánlivou velikostí definuje Pogsonova rovnice

m₂ – m₁ = 2,5 log (E₁/E₂) ,

kde m₁, m₂ jsou zdánlivé hvězdné velikosti (magnitudy) objektů a E₁, E₂ jejich osvětlení.

Pro objektivnější posouzení světelného výkonu hvězdy zavádíme pojem absolutní magnituda M. Ta je definována jako magnituda hvězdy, kteoru pozorujeme ze vzdálenosti 10 pc. Pro absolutní magnitudu platí

M = m + 5 – 5 log r,

kde r je vzdálenost v pc. Po ekvivalentních úpravách dostaneme rovnici

m – M = 5 log r – 5 ,

kde m – M je modul vzdálenosti. Vzhledem k tomu, že se povrchové teploty hvězd vzájemně liší, liší se i vlnová délka maxima vyzařování hvězdy.

Hertzsprungův-Russelův diagram vyjadřuje závislost mezi výkonem (relativní či absolutní svítivostí) hvězdy a její povrchovou teplotou (resp. zařazením do spektrální třídy).

Poznámka: Relativní svítivost je množství záření, které dopadá na dalekohled či sítnici. Absolutní svítivost se dá spočítat z velikosti hvězdy, znám-li její vzdálenost.

V HR diagramu se většina hvězd seskupuje v oblasti táhnoucí se od levého horního rohu do pravého dolního rohu, neboli tzv. hlavní posloupnosti. V horní či dolní části hlavní posloupnosti jsou extrémnější hvězdy – horké nebo naopak studené, veliké nebo malé. Hvězdy na hlavní posloupnosti mají 8 až 10 miliard let. V HR diagramu mohu spočítat i hmotnost hvězd.

Slunce je ve střední části hlavní posloupnosti.

Spektrum hvězd se skládá ze spojitého spektra (kontinua) a řady spektrálních převážně absorpčních čar. Spojité spektrum vypovídá o teplejších spodních částech fotosféry (část hvězdné atmosféry) a vzniká zde. Zatímco tmavé absorpční čáry vznikají až při průchodu světla vyššími vrstvami fotosféry. Spektra jednotlivých hvězd se od sebe liší, a proto byla zavedena Harvardská klasifikace, která rozděluje hvězdy do těchto spektrálních tříd:

(Q, P, W,) O, B, A, F, G, K, M, (S, R, N).

Typ spektra závisí na povrchové teplotě hvězdy a tak spektrální třídy vypovídají spíše o její teplotě než jejím složení. Hlavními spektrálními třídami jsou O až M.

Více než polovina hvězd je součástí hvězdných seskupení – dvojhvězd, trojhvězd, čtyřhvězd a vícenásobných seskupení (hvězdokup). Skutečná velikost hvězd je většinou srovnatelná s velikostí Slunce. Takovéto hvězdy označujeme jako hvězdy hlavní posloupnosti. Ty se postupně zvětšují, více svítí, ale jejich teplota klesá. Mohou dosáhnout až tisícinásobku Slunce – obři a veleobři. Dalším vývojem se pak smršťují až na setinu průměru Slunce – trpaslíci. Smrštěním na velikost planetek vznikají neutronové hvězdy.

Čím je hvězda hmotnější tím více září a tím rychleji svoji energii spotřebuje a dosáhne kratší životnosti. Nejzářivější hvězdy (O a B) mají vrchol v ultrafialové části a září spíše modrofialově. Malé, málo zářivé a starší hvězdy mají vrchol v infračervené části a vidíme je jako červené. Velké hvězdy, hodně zářivé, jsou hodně teplé a mladé. Slunce je spíše podprůměrné a dalo by se zařadit do skupiny G. Výkonem zářivého výkonu hvězdy je 1 Slunce.

Život hvězd

1.      polohvězda, smršťování, zvyšování teploty

2.      rovnováha gravitace a tlaku látky, pomalé smršťování při rovnováze

3.      zapálení termojaderných reakcí, hvězda se dostává na hlavní posloupnost, dohoření vodíku v jádře

4.      smršťování jádra, zvyšování teploty

5.      zapálení vodíku ve slupce

6.      rozpínaní hvězdy, chladnutí,

7.      rozpínání plynného obalu a jeho osamostatnění

8.      hvězda chladne a dochází jí energie

Kvasary – nejvzdálenější hvězdy, které se nepohybují.

SLUNEČNÍ SOUSTAVA

Sluneční soustavu tvoří Slunce a všechna tělesa, která opíší kolem Slunce alespoň jeden úplný oběh. Na okraji sluneční soustavy se nachází Oortův oblak, ze kterého vyletují komety.

Sluneční soustava vznikla asi před 4,7 miliardami let ze smršťujícího se oblaku prachu a plynu. Jeho část o hmotnosti 2 až 3 M_S a průměru 100 AU se smrštila do disku, uvnitř kterého rostla hustota a zejména uprostřed se prudce zvyšovala teplota. Uvnitř disku docházelo k vypařování prachových částic a při následném ochlazení se v mlhovině vytvořila pevná zrna. V centrální části se pravděpodobně zformoval zárodek budoucího Slunce. Částice v disku vytvářely zárodky budoucích planet –protoplanety, které se vzájemně srážely. Plyny, které se ve stavbě planet neuplatnily, se začaly vázat na jejich jádra a vytvářely prvotní atmosféry. Slunce vyvrhovalo mnoho částic do prostoru, takže vzniklsluneční vítr, který z počáteční sluneční soustavy odvál obrovské množství prachu a plynu. Jiná teorie viz Základy kosmologie.

Střední vzdálenost sluneční soustava – střed Galaxie je 7,89 kpc. Sluneční soustava má podobné rysy chování jako Země, co se týče jejího postavení v Galaxii (viz Vliv Slunce na klima). Rovina oběžné dráhy sluneční soustavy je mírně ukloněna k rovině galaktického rovníku. Nejbližší body od středu Galaxie zveme perigalaktikum a nejvzdálenější apogalaktikum. Galakticko-sluneční spojnice se liší svou délkou a díky tomu jsou různé cykly:

• anomalistický – 176 milionů let,
• drakonický – 86 milionů let,
• siderický – 212 milionů let – úplný oběh sluneční soustavy kolem středu Galaxie. Tato doba je zvána siderický rok.

Různé rysy chování Slunce jsou poplatné těmto rytmům. Rychlost oběhu Slunce kolem středu Galaxie je v 250 km * s^-1 v perigalaktiku a 207 km * s^-1 v apogalaktiku. Slunce je od středu Galaxie vzdáleno 10 kpc.

Slunce

Slunce je ústrední hvězdou naší soustavy. Jeho hmotnost (M_S) je 1,99892 * 10³⁰ kg a jeho poloměr 6,95997 * 10⁵ km (tj. průměr je 1,39199 * 10⁶ km). Průměrná hustota Slunce (r) je 1 409 kg * m^-3, povrchová teplota (T) je 5 780 K. Slunce je sférický, gravitačními silami vázaný útvar složený z vysokoteplotního plazmatu. Slunce tvoří 99,8 % hmoty sluneční soustavy.

Ze Země je vidět pod úhlem 32’ ± 0,5’. Slunce rotuje jednak s celou sluneční soustavou okolo středu Galaxie a jednak se otáčí kolem své osy.

Slunce je tvořeno rozžhavenými plyny (ze 73 % vodíkem a 25 % heliem), v jeho jádru probíhajítermojaderné reakce. Ty jsou zdrojem energie Slunce a jejich podstatou je, že se spojují čtyři jádra vodíku v jedno jádro helia. 90 % energie se uvolňuje v oblasti obsahující asi čtvrtinu hmoty Slunce. Výkon termojaderné reakce na jednotku hmoty ale není velký, takže se energie ve Slunci uvolňuje jen velmi pomalu. Reakce probíhají tedy miliardy let a za podmínek blížících se úplnému vyhasnutí.

Slunce vysílá záření dvojího druhu – elektromagnetické (světlo a teplo) a korpuskulární (sluneční vítr – elektrony a protony vodíku). Elmg. záření ze Slunce rozdělujeme na radiové, mikrovlnné, infračervené, viditelné, UV, rentgenové a gama. (Pro porovnání frekvence f a vlnové délky l) Z hlediska nebezpečnosti je nejvíce nebezpečné gama záření, nejméně radiové.

Slunce se otáčí rychleji na rovníku (rotace trvá 25 pozemských dní) než na pólech (34 dní). Z hlediska delšího geologického období byla zjištěna rychlost rotace Slunce 23 až 32 dní. Teplota Slunce je:

• v jádru                                    15 * 10⁶ K
• na povrchu                            5 700 až 6 000 K
• na slunečních skvrnách        4 000 K
• v koróně                                do 3 * 10⁶ K

Hustota Slunce je:

• v jádru                                    158 g * cm^-3
• ve fotosféře                           4 * 10^{-9 g * cm-3}

Směrem do chromosféry se hustota snižuje.

Energetická rovnováha ve Slunci znamená, že kolik energie se uvnitř Slunce za jednotku času uvolní, tolik se jí z povrchu Slunce také vyzáří do prostoru.

Slunce vzniklo přibližně před 4,7 miliardami let smršťováním (kontrakcí) části oblaku mezihvězdné látky. Na počátku svého vývoje zářilo Slunce na úkor energie, která vznikala při tomto smršťování. Dále Slunce procházelo obdobím aktivity hvězdy typu T Tauri, tj. hvězdy s mohutným hvězdným větrem. Fáze gravitační kontrakce končí v okamžiku, kdy teplota v nitru dosáhne hodnoty potřebné pro zapálení jaderných reakcí (1,35 * 10⁷ K).

Převážnou část svého aktivního života (asi 85 %) stráví Slunce na hlavní posloupnosti. Po dobu 9 miliard let se v jeho nitru spaluje vodík na hélium a jen velmi pozvolna se mění. Na konci vývoje Slunce na hlavní posloupnosti bude jeho výkon dvojnásobný a poloměr bude o 40 % větší než na počátku této etapy. Po spálení veškerého vodíku dojde ke zmenšení jádra z vyhořelého helia a zvětšení hustoty. Obal Slunce se bude rozpínat a chladnout. Výkon Slunce bude 350× vyšší, poloměr 50× větší a teplota 3 500 K.

Dojde ke vznícení jaderných reakcí, které spalují helium na uhlík. Před rozpadem Slunce bude jeho teplota 3 000 K a výkon 3 000× vyšší. Povrch Slunce bude sahat ke dráze Země. Uprostřed rozpínajícího se obalu zůstane uhlíko-kyslíkový zbytek o hmotnosti 0,6 M_S. Dojde k osamostatnění plynového obalu, který se rozepne do prostoru. Hvězda se změní v bílého trpaslíka a později v chladného černého trpaslíka bez zdrojů energie.

Slunce je složeno ze 3 základních vrstev:

1.      fotosféry – vrstva, ze které k nám přichází 99,9 % záření Slunce. Fotosféra je žhavá aktivní oblast. Teplota ve fotosféře s rostoucí výškou klesá. Spojité záření, které zde vzniká, odpovídá záření absolutně černého tělesa. Zdánlivou neprůhlednost fotosféry způsobují záporné vodíkové ionty. Fotosféra vypadá jako “granule”, neboť zde neustále vystupují žhavé plyny ze spodních vrstev Slunce. Doba trvání “granulí” je 8 minut. Základními projevy fotosféry jsou sluneční erupce a skvrny, které ovlivňují elektromagnetické pole Země.

2.      chromosféry – vrstva tlustá 10 000 km, ve které se vyskytují spikule, jakési paprsky či chapadla zářícího plynu. Spikule dosáhnou vrcholu chromosféry a opět klesnou. Tento proces trvá 10 minut. Dlouhodobějšími úkazy v chromosféře jsou chromosférické erupce a hlavně protuberance, což jsou výtrysky žhavého plynu z fotosféry, které protínají chromosféru.

3.      koróny – velmi teplá a řídká část, tvořící jakousi atmosféru Slunce. Koróna je mnohem teplejší než fotosféra či chromosféra. Koróna je vázána prstenci velmi silného elektromagnetického pole Slunce, a proto má vysokou teplotu. Rychlost výronů koronární hmoty je 1 * 10⁶ km.

Sluneční vítr odvává energii koronárního výronu dále do prostoru. Sluneční vítr jsou ionizované subatomární a atomární částice, které sledujeme na krátkovlnném i dlouhovlnném záření. Rychlost slunečního větru je 70 000 až 3 * 10⁶ km * s^-1. Do vzdálenosti 1 AU od Slunce se sluneční vítr pohybuje po spirálovité dráze a rotuje spolu se Sluncem. Za vzdáleností 1 AU se již šírí přímočaře a magnetické pole Slunce jej ovlivňuje podstatně méně. Prostřednictvím slunečního větru uvolní Slunce 3 000 t subatomárních částic za 1 h. Tímto tempem by zmizela celá hmota Slunce za 200 * 10¹² let.

Magnetické pole Slunce je velice silné, avšak díky zemskému magnetickému poli se k nám vlivy magnetického pole Slunce nedostanou. Silokřivky magnetického pole Slunce mají spirálovitý tvar a spolu se Sluncem se otočí za 27 až 29 pozemských dnů.

Sluneční činnost. Z geofyzikálních důvodů se studují sluneční erupce, vznikající primárně ve fotosféře. Četnost erupcí je v krátkých časových obdobích poměrně proměnlivá. Sluneční skvrny jsou temné oblasti na fotosféře, které jsou chladnější (4 500 K) než okolí a vyskytují se v obdobích zvýšené sluneční aktivity společně s erupcemi. Skvrny vznikají v oblastech zesíleného magnetického pole. Narůstají do plné velkosti v rámci dnů.

Poznámka: Indexem velikosti aktivity Slunce rozumíme množství některých aktivních procesů na Slunci v určitém intervalu.

Souhrnný zářivý výkon, který vyzařuje povrch Slunce je 4 * 10²³ kW * s^-1. Z tohoto výkonu Země dostane 1 * 10^-9.

Vliv Slunce na klima tkví v jeho vzdálenosti, která se příliš nemění. Život se díky tomu může adaptovat na pomalé změny klimatu. Zemské klima ovlivňují různé typy rotací a náklonů Země vůči Slunci. Základním druhem pohybu ovlivňujícím “astronomické klima” je precesní pohyb, kdy se pohybuje rovina zemské osy (jednou za 22 000 let). Země je buďto v přísluní a nebo v odsluní. Dalším faktorem je náklon zemské osy ke kolmici ekliptiky. Perioda náklonu trvá 40 000 let a ovlivňuje sezónní příjem energie v oblasti obou pólů (ovlivňuje zalednění). Díky těmto oscilacím trvá ochlazování země 65 až 75 milionů let. Dalším faktorem je tvar oběžné dráhy Země kolem Slunce. Perioda změny eliptické dráhy je 92 000 až 100 000 let. Význam má dále i sluneční konstanta. Ta symbolizuje celkové množství energie všech vlnových délek při 1 AU, které procházejí určitou jednotkovou plochou za jednotku času. Během roku klesá sluneční konstanta o 1 % a během tisíců let i o několik procent. Země zachytí 1 367 W * m^-2. Největší zjištěný pokles sluneční aktivity byl 0,2 %. Aby vznikla nová doba ledová, musela by sluneční konstanta poklesnout nejméně o 2 %.

Cykly Slunce:

• rotace (23 až 32 dní)
• základní 11-letý cyklus sluneční aktivity – ukazatelem sluneční aktivity je Wolfovo relativní číslo, které převádí množství slunečních skvrn v čase.
• 22-letá perioda – vnitřní perioda regionálních změn magnetické intenzity.
• dále existují 80, 300, 1 400 a 1 800-leté periody.

Poznámka: Hlavní období extrémní sluneční aktivity:

sumerské maximum                        2700 – 2600 př. Kr.

maximum období pyramid              2300 – 2000 př. Kr.

maximum období Stonehenge       1800 – 1700 př. Kr.

egyptské minimum                          1400 – 1200 př. Kr.

maximum období Říma                   40 př. Kr. – 90 po Kr.

středověké minimum                       670 – 900

středověké maximum                      100 – 1300

novověké minimum                          1600 – 1700  “malá doba ledová”

Dále o Slunci viz Základy kosmologie

Planety

Ve sluneční soustavě je 9 planet: Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun a Pluto. První čtyři jsou tzv. terestrické planety – jde o tělesa podobného složení a srovnatelných rozměrů. Další čtyři jsou tzv. velké planety a jsou tvořeny zkapalněnými plyny. Všechny planety až na Merkur mají všechny atmosféru. O Plutu, které správně ani není planetou, se neví téměř nic. Všechny planety s výjimkou Pluta obíhají v blízkosti roviny ekliptiky (dráha oběhu Země kolem Slunce). Oběžná rychlost planet ve vzdálenosti od Slunce klesá. (Planetární tabulky viz příloha)

Měsíce planet

Měsíce jsou souputníky planet. Země má Měsíc; Mars má Deimos a Phobos, Jupiter: největší jsou tzv. čtyři galileovské měsíce – Ganymedes, Callisto, Io a Europa, Saturn: největším měsícem je Titan, dalšími většími např. Rhea a Japetus, Uran: největšími měsíci jsou Titania a Oberon, Neptun: největší měsíc je Triton, Pluto má měsíc Charon.

Komety

Mají hmotnost od 10¹² do 10¹⁷ kg. Ve sluneční soustavě je jich přibližně 2,5 milionu a dalších 100 miliard je jich v Oortově oblaku. Jestliže se kometa dostane do blízkosti Slunce, ztrácí 1 t vodíku, kyslíku či hydroxidové složky za sekundu z celého jádra.

Kometa je zmrzlá ledová koule obalená prachem (koma). V důsledku slunečního větru se kolem komety vytváří ohon složený z ionizovaných částic, který je vždy otočen ve směru od Slunce. Terminátor komety je přechod světla a stínu.

Komety mají narozdíl od planet velkou výstřednost dráhy. Může se stát, že kometa v přísluní narazí do Slunce a je jím pohlcena. Naopak v odsluní, může prchnout ze sluneční soustavy, protože ji sluneční gravitace již neudrží.

Asteroidy

Podle chování je rozlišujeme na

a) meteory (proces a jev průchodu zemského tělesa zemskou atmosférou),

b) meteoroidy (tělesa, která vstupují do zemské atmosféry),

c) meteority (tělesa, která dopadla na zemský povrch).

Meteory můžeme rozdělit na normální, jejichž jasnost je srovnatelná s jasností hvězd, a velice jasné, které jsou vidět i ve dne – bolidy. Větší shluky asteroidů a vesmírného prachu, které jsou vázány gravitací Slunce a volně “poletují” zveme meteorické roje. Tento jakýsi vesmírný “smog” je vázán na rovinu ekliptiky a jakmile se Země během svého oběhu kolem Slunce dostane do tohoto pásma, dochází k vpádu těchto těles do její atmosféry a k zábleskům.

Historie objevování sluneční soustavy

Z hlediska uspořádání sluneční soustavy existovaly již v antice dva názory – geocentrický a heliocentrický. Ve 4. stol. př. Kr. Aristoteles přijal systém geocentrický. Ve 3. století př. Kr. Aristarchos na základě pozorování Slunce a Měsíce vytvořil systém heliocentrický, ten se však neujal. Geocentrický model ve 2. stol. po Kr. vyložil Ptolemaios. Znovu byla heliocentrická představa uveřejněna až v období renesance Mikulášem Koperníkem. Dalším renesančním astronomem byl Tycho Brahe, který aby nemusel přistoupit na Koperníkův systém, vytvořil systém svůj vlastní. Johannes Kepler heliocentrický systém potvrdil a dále zjistil, že planety se kolem Slunce pohybují po eliptických drahách.

ZÁKLADY KOSMOLOGIE

Vesmír je jako celek dynamický a vyvíjí se v čase. Uspořádáním celého vesmíru se zabývá kosmologie.

Iniciální fáze vývoje vesmíru 12 až 18 miliard let (nejnižší rozumné stáří je 12 miliard let). Vznik prvních hvězd a prvotních galaxií je datován do období před 10 miliardami let. Původ naší Galaxie je asi před 8 miliardami lety. Nejstarší zemské horniny vznikly před 4,5 miliardami let. První stopy života se objevily před 3,4 až 3,7 miliardami let. V proterozoiku (570 milionů až 2,6 miliardy let) se objevil první mnohobuněčný život. Před 440 milióny lety (v siluru) vznikly první cévnaté suchozemské rostliny.

Hmota Země:            5,974 * 10²⁴ kg             Hmota Galaxie:      3,5802 * 10⁴¹ kg

Hmota Slunce:          1,998 * 10³⁰ kg             Hmota vesmíru:      5,68 * 10⁵³ kg

1 světelný rok            3,4605 * 10¹⁷ cm

Rovnice chování vesmíru jako celku:

H = á(t)/a(t) ,

kde H je Hubblův parametr (pohybuje se mezi 30 km * s^-1 * Mpc^-1 až 100 km * s^-1 * Mpc^-1) a acharakteristika vzdálenosti typická pro rozepnutí vesmíru v současnosti. t znamená čas. Hubblova konstanta (resp. parametr) říká, že čím jsou od nás galaxie dále, vzdalují se větší rychlostí než galaxie bližší. Hubblovou konstantou zjistím, za jak dlouhou dobu dorazí k Zemi světlo z vesmírného objektu a jak se vesmír od této rozepnul.

á²/a² + kc²/a² – L/3 = 8pGr/3 ,

kde c je rychlost světla ve vakuu (299 792 km * s^-1), G Newtonova gravitační konstanta (6,672 * 10^-11 m³ * kg^-1 * s^-2), k koeficient zakřivení závisející na druhu geometrie, L kosmologická konstanta a rhmota a energie:

hustota hmoty                                               r_m(t) ~ 1/a³(t)

hustota záření (tok energie v čase)            r_t(t) ~ 1/a⁴(t)

Obecná relativita je základní teorií pro chování vesmíru jako celku.

2ä/a + á²/a² + kc²/a² – L ??– (8pGp/c²) ,

kde p je tlak na jednotku. p v tomto případě zastupuje r, neboť v určitých částech vývoje vesmíru byl obrovský tlak.

q₀ = 4pGr_m0/3H₀² ,

kde q je brzdící (decelerační) parametr. q znamená, že pokud se vesmír začal rozpínat a je-li v nadkouli hmota a energie, tak tato hmota a energie rozpínání brzdí. Rozpínání je bržděno tak, že se jeho rychlost snižuje. Stručně řečeno, q říká, jak rychle se brzdí vesmír. Vztahy mezi H a q nám říkají rozměr vesmíru. Rozumná míra mezi těmito parametry je pro H₀ je 100 km * s^-1 * Mpc^-1 a pro q₀ (q v současnosti) 1,5. Tato hodnota je hranicí mezi vesmírem otevřeným (expanze vesmíru se nezastaví) a vesmírem uzavřeným (expanze po výbuchu se pomalu zastaví a vesmír se začne smršťovat). Na druhé straně ale stojí hodnota pro H₀ = 30 km * s^-1 * Mpc^-1 a q₀ = 0,1, která platí pro vesmír otevřený. Obecný vztah této rovnice je

q = – (ä(t)*a(t))/á²(t)) .

Expanzní faktor a/a₀ , kde a je vesmír v minulosti a a₀ vesmír v jeho současném rozměru.

Poznámka – Fridmanův model vesmíru: Podle kosmologických rovnic A. A. Fridman usoudil, že vesmír musí mít stejně jako ony počátek. Podle A. A. Fridmana vesmír není ani otevřený ani uzavřený.

Po dobu 300 000 let bylo větší záření vesmíru než jeho hmota. Pak došlo k okamžiku rekombinace, kdy začala převládat hmota nad zářením. Rekombinace mohla nastat proto, že o mocninu rychleji klesala hustota záření než hustota hmoty.

Reliktní teplota je teplota zbytkového záření po žhavém zážehu vesmíru, konkrétně 2,73 K. Tato teplota má stejnou intenzitu a hustotu a přichází ze všech koutů vesmíru. Čím více se fotony rozpínají, tím je jich na jednotku objemu méně a tím je nižší teplota. V okamžiku rekombinace bylo uvolněno reliktní záření o teplotě 300 000 K a od té doby se šírí vesmírem. Nehomogenity v reliktním záření pravděpodobně umožnily vznik planet a hvězd.

Hybnost sluneční soustavy

Rychlost Země je 450 km * s^-1. Jedná se o rychlost, kterou měříme vůči vesmíru jako celku, resp. porovnáváme-li jí s rychlostí světla ve vakuu. Země se pohybuje kolem Slunce rychlostí 30 km * s^-1. Rychlost Slunce kolem středu Galaxie je 250 km * s^-1. Místní skupina se pohybuje vůči středu Galaxie rychlostí 100 km * s^{-1 a padá směrem k souhvězdí Panny rychlostí 1 000 km * s-1}. Galaxie se pohybuje uvnitř místní skupiny rychlostí 100 km * s^-1.

Tyto malé rychlosti vzhledem k vesmíru jako celku dají přímou rychlost Země 450 km * s^-1, jestliže se ji snažím změřit z mikrovlnného pozadí. V obrovských kosmologických vzdálenostech je atomový čas na Zemi téměř shodný s vesmírným časem, který se stejnorodě s reliktním zářením šírí vesmírem. Rozdíl mezi těmito časy je 10^-8.

Poznámka k vývoji sluneční soustavy: Pomocí pozorování se zjistilo, že počet výbuchů supernov je jednou větší, než připouští kosmologické teorie.

1.      V iniciální fázi vývoje sluneční soustavy prý byla dvě velká zhuštění hmoty. Z nich vzniklo Slunce a druhá hvězda, která byla Sluncem “sežrána“.

2.      Těžké chemické prvky, které jsou na Zemi vznikly v supernovách, novách či černých dírách. Naše Galaxie tím pádem není první generací galaxií, které ve vesmíru vznikly. Z toho musíme předpokládat, že v blízkosti sluneční soustavy existovala supernova, která explodovala, a z ní se dostaly těžké prvky do slunečního prachu. Tento výbuch musel být vzdálen 100 pc od Slunce a nastal před 5 až 8 miliardami let.

Slunce

V současnosti má Slunce dostatek vodíku i helia. Fotonu trvá 10 milionů let, než se dostane ze středu Slunce na povrch. I v současnosti Slunce osciluje, avšak má vyrovnanou energetickou bilanci. Jakmile začne Slunce (ve “věku” 8 až 10 miliard let) ztrácet vodík, rozepne se a zazáří. Střed Slunce se ochladí a hvězda se smrští a zvýší se v ní teplota.

Poznámka: V posledních pěti letech se začínají v Galaxii hledat hvězdy podobné Slunci. Našli se a některé mají stejně jako Slunce planetární soustavy.

Vývoj hvězd

Nevíme-li jestli je vesmír uzavřený nebo otevřený, nemůžeme tedy vědět jestli vznikly jako prvotní celky hvězdy a pak teprve galaxie, nebo jestli vznikly jako první ohromné galaxie a pak teprve v nich prvotní generace hvězd. Z astrofyzikálního hlediska vznikaly jako první hvězdy, z kosmologického hlediska galaxie.

Hvězda vzniká, když je v jejím středu samovolně zapálena termojaderná reakce. Na počátku termojaderné reakce je temné nakupení prachu, které se k sobě gravitačně přibližuje a částečky se vzájemně přitahují a hledají těžiště. Zvyšuje teplota a hustota protoplanetárního oblaku tak, že si částice začnou vyměňovat atomy. Vznikne plazma. Jádra atomů se k sobě začnou přibližovat, ačkoli jsou k sobě odpudivá. Hustota se obrovsky zvýší, jádra se díky gravitaci o sebe třou tak, až se naruší. Z jader se dostanou ven částice (fotony, elektrony). Jádra se slučují a působí odpudivé jaderné síly. Aby došlo k termojaderné reakci, musí teplota dosáhnout 10⁶ K. Sloučením deuteria a vodíku vznikne helium a záření gama. Dvě deuteria dají helium a volný elektron či proton. Dalšími prvky zastoupenými v termojaderné reakci jsou lithium, které, sloučí-li se s vodíkem, dá helium, a berylium. Tyto prvky vznikají na hvězdách hlavní posloupnosti. Jak hvězda září, postupně spotřebovává své zásoby vodíku.

V první miliardě let mají hvězdy na hlavní posloupnosti nevyrovnanou energetickou bilanci. Je-li hvězda příliš stará (8 až 10 miliard let) má nevyrovnanou energetickou bilanci opět – začne oscilovat. Příčinou oscilace je působení dvou sil – dostředivé a zářivé (funguje při slučování jader, kdy hvězda ztrácí hmotu). Smršťování hvězdy je vyrovnáváno zářením.

Pokud hvězda o hmotnosti 3,2 M_S a více je energeticky nestabilní, změní se v černou díru nebo zanikne jako neutronová hvězda. Je-li gravitačně nevyrovnaná, exploduje jako nova či supernova. Hmota, která po ní zůstane, se změní např. v černou díru. Záření ze supernovy se rozšíří vesmírem a přinese s sebou těžké prvky, které mohou přispět ke vzniku nové galaxie.

Hubblův dalekohled

Má hmotnost 12 t a obíhá ve výšce 600 km nad Zemí. Jeden oběh trvá 95 minut. Hlavní zrcadlo má hmotnost 820 kg, průměr 8,4 m a je vyrobeno z křemene. Nad hlavním zrcadlem je sekundární zrcadlo o průměru 30 cm. Efektivní část dalekohledu je ohnisková a získává údaje z oblasti 29 obloukových minut (velikost Měsíce v úplnku). Dalekohled pozoruje od ultrafialového do infračerveného záření. Je 10 * 10⁶krát citlivější než sítnice lidského oka. Nervové centrum dalekohledu je v Greenbeltu ve Spojených státech (stát Maryland). Údaje z dalekohledu jsou odesílány v binární formě. Dalekohled má možnosti extrémního nastavení.

Hubblův dalekohled sledoval např. atmosféry planet a jejich družic, komety či povrch Pluta. Cenné poznatky přinesl při pozorování hvězd (zachytil nebuly, což jsou jakési černé chomáčky, zárodky hvězd). Např. v nejpokročilejší části Galaxie (v tzv. Orlím hnízdě) zachytil nám nejbližší rodící se hvězdu. Hubblův dalekohled zachytil i zánik hvězdy (odhazování vrstev a zbylý relikt). Kromě toho zachytil i relikty planet.

Hubblův dalekohled potvrdil, že hvězdy hmotnější než Slunce skončí výbuchem nebo zhroucením do černé díry. Zachytil výbuch supernovy v Krabí mlhovině a našel zde pulsar (relikt odpovídající supernově). Hubblův dalekohled potvrdil rozpínání galaxií do velkých kosmologických vzdáleností. Dnes díky tomu víme, že decelerační parametr vesmíru q₀ je 0,5. To znamená, že vesmír není ani právě otevřený ani právě uzavřený. Hubblův dalekohled potvrdil existenci gravitačních čoček, kterou předpověděl A. Einstein.