Budowa wszechświata

Krótka historia astronomii

Jedną z najstarszych nauk, rozwijaną od starożytnych czasów, i bardzo mocno działającą na wyobraźnię ludzi, jest astronomia. Starożytni ludzie, na podstawie obserwacji ruchów ciał niebieskich, potrafili mierzyć czas, organizować sobie życie oraz podróżować. Wykorzystanie astronomii było jedną z pierwszych prób podjętych przez człowieka w celu wykorzystania do swoich celów sił natury.

Ponieważ w starożytności ludzie nie mogli obejrzeć Ziemi na zdjęciach satelitarnych, ich poglądy na budowę Ziemi i Wszechświata były bardzo mylne. Na przykład wśród Majów panował pogląd, że Ziemia jest płaska, że podtrzymują ją olbrzymi, zwani "bakabami", oraz że Słońce krąży wokół niej. Hinduska mitologia przedstawiała Ziemię jako kwiat lotosu, spoczywający na grzbietach czterech słoni, stojących na skorupie żółwia pływającego w niekończącym się oceanie. Wszystkie te wyobrażenia nie wynikały z posiadanej wiedzy, ale z wierzeń ówczesnych cywilizacji: dla Egipcjan Ziemia była leżącym na boku bogiem Qeb, a niebo nachyloną nad nim boginią Nut. W Babilonie panował pogląd, że Ziemia jest olbrzymią górą, wyrastającą pośrodku oceanu. Po obu stronach Ziemi miały być drzwi, przez które wchodziło i wychodziło Słońce.

Wspólną cechą wszystkich tych poglądów było to, iż wiązały się z wierzeniami, a także to, że Ziemia zawsze stanowiła w nich centrum Wszechświata. Poglądy takie nazywamy geocentrycznymi. Ziemia była nieruchoma, wszystkie ciała niebieskie krążyły wokół niej.

W bardzo dużym stopniu do rozwoju astronomii przyczyniła się cywilizacja grecka, która powstała około 900 roku p.n.e. Starożytni Grecy wierzyli, iż Ziemia jest nieruchoma, że jest podtrzymywana przez boga Atlasa, oraz że Słońce to bóg Helios powożący złotym rydwanem zaprzężonym w cztery ogniste rumaki, który codziennie rano wjeżdża na nieboskłon aby wędrować po niebie, po czym kąpie swe rumaki w wodzie morskiej na zachodnich krańcach świata, przepływa ocean w złotej czaszy i znów rano podejmuje swoją wieczną wędrówkę. Takie wierzenia bardzo mocno działały na wyobraźnię ludzi i bardzo hamowały rozwój racjonalnej nauki. Mimo to już w VI wieku p.n.e. w Grecji panował pogląd, iż Ziemia jest kulista, a nie płaska, jak dawniej uważano. Był to ogromny przeskok w sposobie postrzegania świata, choć wciąż nie można było uwolnić się od mitologicznego obrazu.

Jednym z najważniejszych astronomów starożytności, który ukształtował poglądy astronomiczne na wiele wieków, był Ptolomeusz (90 - 168 rok p.n.e.). Wyznawał on, podobnie jak wszyscy w jego czasach, geocentryczną budowę Wszechświata. Teoria ta nie zgadzała się jednak z niektórymi obserwacjami, takimi jak wsteczny ruch niektórych planet. Aby udowodnić, iż Ziemia jest centrum Wszechświata, Ptolomeusz w swoim dziele "Almagest" podał zasady obliczania ruchów ciał niebieskich oraz wysnuł tezę, iż ruch planet odbywa się po bardzo złożonych torach, składających się z epicykli. Budowę Wszechświata Ptolomeusz wyjaśnił istnieniem sfery armilarnej, złożonej z pierścieni obrazujących orbity planet, oraz sfery gwiazd stałych.

Pomimo bardzo mocno zakorzenionej idei mitologicznego Wszechświata, już w starożytnej Grecji pojawiały się poglądy kwestionujące teorię geocentryczną. Jednym z przeciwników tej teorii był Arystach z Samos (ok. 310 - 230 rok p.n.e.). Arystach, na podstawie cienia rzucanego przez Ziemię, Słońce i Księżyc podczas zaćmień, wyznaczył ich względne rozmiary. Otrzymane przez niego wyniki były oczywiście dalekie od dokładnych, jednak pokazywały, iż Słońce jest większe od Ziemi. Na tej podstawie Arystach uznał, iż Słońce, największy obiekt, powinien się znajdować w centrum Wszechświata. Poglądy Arystacha, przedstawione w jego dziele "O wielkościach i odległościach Słońca i Księżyca", nie spotkały się z uznaniem Greków, bardzo przywiązanych do geocentrycznego obrazu Wszechświata.

Poglądy Ptolomeusza panowały przez ponad 1000 lat. Dzieło "Almagest" zostało przetłumaczone i uzupełnione przez Arabów. Nie podzielali oni jednak poglądów na to, iż Ziemia jest kulista. Nadal uważali ją za płaską, co jest dobrze widoczne na mapach z końca X wieku. Co więcej, Arabowie uważali się za głównych mieszkańców Ziemi, a Europę, niewielki kawałek świata, umiejscowili w rogu mapy.

Utwierdzone przez Arabów poglądy na to, że Ziemia jest płaska, przetrwały aż do początków XVI wieku, epoki wielkich wypraw morskich. Największym zwolennikiem teorii, iż Ziemia jest kulista, był Krzysztof Kolumb, który uważał, iż płynąc na zachód można dotrzeć do Indii. Teorie Kolumba zainspirowały innego wielkiego podróżnika, Ferdynanda Magellana, który postanowił opłynąć świat dookoła. Wypłynął na czele grupy statków, z których tylko jeden, "Victoria", dotarł z powrotem do Europy. Magellan zginął podczas podróży, jednak udało mu się udowodnić, iż Ziemia jest kulista.

Olbrzymi wkład w ewolucję poglądów na temat wszechświata miał polski uczony Mikołaj Kopernik (1473 - 1543), który pod koniec swojego życia opracował teorię wyjaśniającą ruchy planet w znacznie prostszy sposób niż teoria epicykli Ptolomeusza. Kopernik uznał, że jeśli Słońce jest centrum Wszechświata, to ruch planet, w tym Ziemi, da się bardzo prosto opisać przez orbity kołowe. Teoria Kopernika zgadzała się ze wszystkimi obserwacjami, które podważały geocentryczny model Wszechświata. Jednak teoria geocentryzmu była tak zakorzeniona w Europie, rządzonej przez środowiska Kościelne, że Kopernik bał się opublikować swoje dzieło, "De revolutionibus orbium coelestium" ("O obrotach sfer niebieskich"), w którym przedstawiał swoje rewolucyjne poglądy. Dopiero 10 lat po napisaniu księgi dzieło zostało opublikowane. Praca Kopernika stanowi podstawę do rozwoju współczesnego poglądu na budowę Wszechświata.

Przeciwnikiem teorii Kopernika był Duńczyk Tycho de Brache (1546 - 1601), który uważał, iż planety poruszają się wokół Słońca, natomiast cały ten układ obraca się wokół Ziemi, która jest centrum Wszechświata. Na szczęście idee Kopernika nie zostały zapomniane i zostały podjęte przez innych uczonych.

Jeden z największych astronomów w dziejach, włoski matematyk i fizyk, Galileusz (1564 - 1642), wykonał serie obserwacji, które potwierdzały heliocentryczny obraz Wszechświata. Teorię kopernikańską rozwinął inny wielki astronom, Johannes Kepler (1571 - 1630), który w swoim 7 - tomowym dziele "Streszczenie idei kopernikańskiej" sformułował prawa ruchu planet. Według niego centrum Wszechświata było Słońce, wokół którego, po orbitach eliptycznych, krążyły planety.

Kepler mylnie uważał, iż planety są utrzymywane na orbitach przez siły magnetyczne. Ten problem został rozwiązany przez Isaaca Newtona (1643 - 1727), który opracował zasady rządzące ruchem ciał. Newton wprowadził pojęcie grawitacji (siły ciężkości), oraz pokazał, w jaki sposób Słońce za pomocą grawitacji utrzymuje planety na orbitach eliptycznych.

Wszystkie próby obalenia geocentrycznego modelu Wszechświata spotykały się z bardzo stanowczym oporem Kościoła. W wyniku interwencji władz Kościelnych Galileusz został skazany na areszt domowy, a inny uczony, Giordan Bruno, który uważał, iż gwiazdy są słońcami i że istnieją inne układy takie jak Układ Słoneczny, został spalony na stosie za herezje. Wszystkie te działania, pomimo iż bardzo hamowały rozwój nauki, nie powstrzymały jednak uczonych przed dochodzeniem prawdy. Jednak stanowczy opór Kościoła powodował, iż jeszcze na początku XX wieku powstawały dziwaczne teorie mające na celu zakwestionować model heliocentrycznego Wszechświata. Powstał na przykład pogląd, iż Ziemia to wklęsła strona kuli, otaczającej Słońce, Księżyc i inne obiekty, a to, że Ziemia jest otoczona przez Wszechświat to tylko złudzenie. Oczywiście, takie teorie nie miały szans na przyjęcie przez naukowców.

Najważniejsze obiekty astronomiczne

Pojęcie wszechświat oznacza czasoprzestrzeń, w której zawarte są różnego rodzaju obiekty astronomiczne, ogólnie zwane ciałami niebieskimi. Ciała niebieskie mogą być naturalne, takie jak gwiazdy i planety, oraz sztuczne, takie jak satelity.

Najbardziej charakterystycznymi obiektami kosmicznymi są gwiazdy - olbrzymie kuliste obiekty, składające się z gazu o bardzo wysokiej temperaturze - we wnętrzu około kilku milionów stopni, na zewnątrz kilku tysięcy stopni. Gwiazdy, przez większą część swojego życia, świecą w wyniku zachodzących w ich wnętrzu reakcji termojądrowych. Gwiazdy są obiektami o bardzo dużej masie, zazwyczaj występują w większych zgrupowaniach - galaktykach. Dookoła gwiazd, w wyniku silnego przyciągania grawitacyjnego, krążą mniejsze obiekty, takie jak planety. Najbardziej znanym nam przykładem gwiazdy jest Słońce - gwiazda, dzięki której na naszej planecie istnieje życie.

Gwiazdy powstają z wirujących chmur wodoru i pyłu kosmicznego. W wyniku kondensacji materii zwiększa się siła grawitacji, rożnie gęstość oraz temperatura, aż wreszcie warunki są odpowiednie do tego, aby zaczęły we wnętrzu gwiazdy zachodzić reakcje termojądrowe - jest to początek świecenia gwiazdy. Z biegiem lat paliwo w reakcji termojądrowej - wodór - się kończyć, i gwiazda zaczyna się kurczyć.

Gwiazdy mają różną wielkość. Słońce jest małą gwiazdą, zaliczaną do tzw. karłów. Po wyczerpaniu wodoru, gwiazda taka pęcznieje i zmienia się w czerwonego olbrzyma: chłodniejszą, jednak znacznie jaśniejszą gwiazdę. Po całkowitym zużyciu wodoru, gwiazda zaczyna się zapadać do kuli o średnicy kilku kilometrów. Ma ona tak olbrzymią gęstość, że jedna łyżeczka materii z takiej gwiazdy ważyła by na Ziemi ponad 10 ton! Takie skurczone gwiazdy, bardzo gorące i intensywnie świecące, to białe karły. Największe gwiazdy, nazywane nadolbrzymami, po wygaśnięciu stają się prawdopodobnie czarnymi dziurami. Nieco mniejsze od nich, olbrzymy, przekształcają się natomiast w gwiazdy neutronowe.

Jak już wspomniano, gwiazdy zazwyczaj grupują się w galaktyki. Są to olbrzymie układy, złożone z gwiazd, krążących dookoła nich planet i innych obiektów oraz materii międzygwiezdnej. Galaktyki mogą mieć różne kształty, na przykład kształt eliptyczny, kształt spirali albo nieregularny.

Słońce znajduje się w galaktyce spiralnej zwanej Drogą Mleczną. Wszystkie gwiazdy, widoczne gołym okiem, należą do naszej galaktyki. Charakterystyczną cechą Drogi Mlecznej jest to, że na jej obrzeżach występują spiralne ramiona, w których jest szczególnie duże zagęszczenie gwiazd. W centrum takich ramion znajduje się jaśniejsze jądro, dookoła którego krążą inne obiekty.

Innym obiektem kosmicznym, bardzo efektownym, są mgławice - rozległe obłoki pyłów i gazów międzygwiezdnych. Mgławice występują same lub wraz z gwiazdami, oraz mogą być jasne lub ciemne. Jasne mgławice świecą własnym lub odbitym światłem, i są dobrze widoczne w przestrzeni kosmicznej. Ciemne mgławice są niewidoczne, można je zobaczyć jedynie wtedy, gdy przesłonią jakiś inny obiekt.

Wszystkie obiekty kosmiczne poruszają się po torach zwanych orbitami. Orbity mogą być eliptyczne (takie jak orbity planet w układzie Słonecznym), paraboliczne lub hiperboliczne.

Słońce, Ziemia i inne planety, a także różne inne obiekty kosmiczne, stanowią układ planetarny. Wszystkie obiekty w układzie planetarnym są ze sobą wzajemnie powiązane siłami grawitacji. W przypadku naszego Układu Słonecznego prawie cała masa jest skupiona w Słońcu (98,86%), które jest obiegane po eliptycznych orbitach przez 9 planet: Merkury, Wenus, Ziemia, Mars, Jowisz, Saturn, Uran, Neptun, Pluton. Większość z planet posiada dodatkowo naturalne satelity - księżyce. Spośród wszystkich obiektów Układu Słonecznego Ziemia jest jedynym, na którymi istnieją odpowiednie warunki dla życia. Cały Układ Słoneczny, podobnie jak inne układy planetarne, krąży wokół centrum galaktyki.

W pobliżu Układu Słonecznego nie ma żadnych innych gwiazd ani układów planetarnych. Pierwszym układem odkrytym przez astronomów, znajdującym się stosunkowo "niedaleko" Ziemi, jest układ utworzony przez gwiazdę ypsilon Andromedae. W roku 1996 Butler i Marcy dokonali w tym układzie obserwacji planety o wielkości Jowisza. Kilka lat później udało im się odkryć dwie kolejne planety, znacznie większe od pierwszej.

Jak już powiedziano, bardzo ważnymi obiektami kosmicznymi są planety. Są to obiekty nie przekraczające 1000 km średnicy, są związane z gwiazdą, dookoła której krążą po eliptycznej orbicie. Planety dodatkowo obracają się wokół własnej osi, przez co ich kształt nie jest kulisty, tylko lekko spłaszczony (elipsoidalny). Planety mogą świecić światłem odbitym, pochodzącym z gwiazdy. Dookoła planet krążą zazwyczaj satelity - księżyce. Na większości znanych planet występuje także otoczka gazowa, zwana atmosferą. Niektóre planety (np. Saturn, Uran, Naptun) posiadają dodatkowo pierścienie, złożone z lodu, skał oraz pyłu międzygwiezdnego.

Poniżej zamieszczono tabelę, w której porównano wszystkie planety układu słonecznego:

Kolejnym rodzajem obiektów kosmicznych są satelity - sztuczne lub naturalne obiekty krążące wokół planet. W przypadku Ziemi istnieje jeden naturalny satelita - Księżyc. Obiega on naszą planetę w 27,3 dni. Dzięki rozwojowi techniki udało się nam wylądować na Księżycu. Pierwszym, który postawił na nim swoją nogę był amerykański astronauta N. Armstrong. Dokonał on tego 21 lipca 1969 roku.

Oprócz naturalnych satelit, Ziemia posiada całe mnóstwo sztucznych obiektów, krążących dookoła niej: statki bezzałogowe, satelity naukowo - badawcze, wojskowe oraz inne, na przykład telekomunikacyjne.

Przestrzeń kosmiczna wypełniona jest także innymi obiektami. Najważniejsze to:

• komety - złożone z jądra (skał, pyłu, lodu, zmrożonych gazów) i długiego warkocza. Komety okrążają gwiazdy zazwyczaj po torach eliptycznych. Nie świecą własnym światłem, ich świecenie jest wynikiem rozpraszania przez gazy światła gwiazd; warkocz komety, wbrew pozorom, nie jest skierowany przeciwnie do kierunku jej ruchu, tylko przeciwnie do gwiazdy. W Układzie Słonecznym największą kometą jest kometa Halleya, która obiega Słońce w 76 lat.
• planetoidy (asteroidy, planetki) - niewielkie obiekty (kilkaset km średnicy), złożone ze skał pokrytych lodem i zamarzniętego gazu.
• meteoroidy - bardzo małe okruchy skalne, powstałe z rozpadu komet oraz zderzeń planetoid. Meteoroidy, wpadając w atmosferę, spalają się. Obserwujemy to w postaci tzw. spadających gwiazd.
• meteoryty - fragmenty meteoroidów, które nie spaliły się całkowicie w atmosferze i spadły na Ziemię. Meteoryty są zazwyczaj metaliczne (żelazo, nikiel), kamienne lub metaliczno - kamienne.
• materia międzygwiezdna - rozproszona materia, zawieszona w przestrzeni międzygwiezdnej. Składa się głównie z rozrzedzonego gazu (99%) oraz drobin stałej materii (1%).

Źródła:

Encyklopedia powszechna PWN

Multimedialna Encyklopedia Wszechświata

Gwiazdy - Leksykon Przyrodniczy, J. Herrmann

aczyna siię