Tarinaa tähtitieteen tiimoilta Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka 2014 Kari Sormunen

Oppilaiden ennakkokäsityksiä avaruuteen liittyen Aurinko kiertää Maata Vuodenaikojen vaihtelu johtuu siitä, että Maa on eri vuodenaikoina eri etäisyydellä Auringosta Kaikki tähtitaivaalla näkyvät kohteet ovat tähtiä, planeetatkin Planeetat ja tähdet ovat liki samalla etäisyydellä Auringosta (tai Maasta) Kuu ja Aurinko ovat samankokoisia koska ne näyttävät taivaalla yhtä suurilta Tähdet tuikkivat Tähdenlento on tähden liikettä Aurinkokuntaan kuuluu tähtiä (yleinen käsitys myös opettajaopiskelijoilla)

Tähtitieteellisistä mitoista ja mittasuhteista Valovuosi = valon vuodessa kulkema matka; valon nopeus on n. 300 000 km/s ja vuodessa on sekunteja 60X60X24X365,25 s = 31557600 s; tämä kun kerrotaan 300 000 km:llä, saadaan 9467280000000 km eli n. 9,5 x 1012 km Auringon etäisyys Maasta on n. 8,3 valominuuttia Linnunradan halkaisija on noin 100 000 valovuotta Aurinkoa lähin tähti on 4,22 valovuoden päässä oleva Proxima Centauri AU (astronomical unit) Auringon ja Maan välinen keskietäisyys (1 AU) eli noin 149,6 miljoonaa kilometriä Parsek; 1 parsek = 3,26 valovuotta

Galaksit Maailmankaikkeudessa on miljoonia galakseja (syntyivät aikaisessa vaiheessa eli n. 470–600 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksestä Galaksit muodostavat avaruuteen galaksijoukkoja, joissa voi olla satoja galakseja; myös galaksijoukkojen on päätelty muodostavan suurempia rakenteita Galaksi rakentuu vaihtelevasta määrästä tähtiä ja tähtienvälisestä aineesta Linnunrata, jossa Aurinkokuntamme sijaitsee, kierregalaksi, jonka halkaisija on n. 100 000 valovuotta ja ”paksuus” vain n. 500 valovuotta Aurinkokuntamme sijaitsee noin 25 000 valovuoden päässä Linnunradan keskustasta Galaksit pyörivät oman keskustansa ympäri ja loittonevat koko ajan toisistaan Tästä on voitu päätellä, että maailmankaikkeus laajenee jatkuvasti (toki myös muitakin teorioita on olemassa)

Aikaperspektiiviä Nykyään vallalla oleva käsitys maailmankaikkeuden alusta on alkuräjähdysteoria. Teorian mukaan maailmankaikkeus syntyi äärimmäisen tiheästä ja kuumasta tilasta noin 13,84 miljardia vuotta. Galakseja alkoi syntyä jo hyvin varhaisessa vaiheessa maailmankaikkeuden ollessa noin 470–600 miljoonan vuoden ikäinen. Aurinkokunta syntyi n. 4,6 miljardia vuotta sitten. Ensimmäiset merkit monisoluisista eliöistä ovat vasta noin 1,2 miljardin vuoden takaa. Nykyihminen kehittyi Afrikassa noin 200 000–250 000 vuotta sitten.

”Aineesta” ja sen jakaumasta Tiettyjen teorioiden mukaan maailmankaikkeudessa olisi ns. pimeää ainetta 23%, havaittavaa ainetta 4% ja loput 73% olisi ns. pimeää energiaa. Pimeää ainetta ei voida havaita suoraan (se ei heijasta tai lähetä havaittavaa sähkömagneettista säteilyä), mutta sen vaikutus voidaan havaita painovoiman kautta. Pimeä energia on oletettu olevan energiaa, joka saa aikaan maailmankaikkeuden laajenemisen. Noin 90% havaittavasta aineesta (n. 75 % vetyä, n. 25 % heliumia ja alle 1 % muita alkuaineita) on tähdissä ja loput tähtienvälisenä aineena. Tähtienvälinen aine on pääosin erittäin harvaa kaasua, seassa voi olla myös pieniä hiukkasia kiinteää ainetta Tähdet koostuvat pääosin vedystä ja heliumista. Esim. auringossa on 73,46 % H, 24,85 % He ja muita alkuaineita noin 2% Maankuoren yleisimmät alkuaineet ovat rauta, happi, pii, magnesium ja nikkeli Maan ilmakehän koostumus: typpeä n. 78 %, happea n. 21 %, argonia n. 1 %, vesihöyryä n. 0,2 % ja hiilidioksidia n. 0, 038 %

Musta aukko Yleisen suhteellisuusteorian mukaan massa kaareuttaa avaruutta ja kaarevuus taas ohjaa liikettä. Esim. Maa painaa ”kuopan” avaruuteen, avaruusraketin on päästävä kuopasta ylös. Tarvitaan tarpeeksi suuri alkunopeus eli pakonopeus. Voidaan ajatella, että alkujaan tarpeeksi massiivinen tähti voi luhistua oman painovoimansa vetämänä rajatta sen jälkeen, kun sitä koossapitävät ydinreaktiot päättyvät - näin syntyy äärettömän syvä kuoppa. Nimi "musta aukko" vakiintui vasta paljon myöhemmin. Ensimmäisenä sitä käytti Wheeler vuonna 1967. Musta aukko on massakeskittymä, jonka aiheuttama painovoima on niin suuri, että valokaan ei pääse pakenemaan sen pinnalta. Suora havaitseminen on mahdotonta. Vaikutukset voidaan kuitenkin havaita: esim. valon taipuminen vaikka lähellä “ei ole mitään”. Kaikki massa on keskittynyt yhteen pisteeseen, singulariteettiin. ”Näkyvä” raja, jonka sisältä mikään ei voi päästä pois, on ns. tapahtumahorisontti. http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Black_Hole_Milkyway.jpg

Alueen koko riippuu mustan aukon massasta Alueen koko riippuu mustan aukon massasta. (Massa on äärellinen, vaikkakin pakkautunut äärettömän tiheäksi.) Esimerkiksi Auringon massaisen mustan aukon horisontin säde on vain n. 3 kilometriä, kun taas Auringon säde on n. 700000 kilometriä. Vaikka musta aukko itse onkin pohjaton kuoppa avaruudessa, kaukana horisontista avaruuden geometria on samanlainen kuin samanmassaisen tähden ympärillä. Siten jos Aurinko korvattaisiin mustalla aukolla, Aurinkokunnan planeettojen radat eivät muuttuisi. Elämä sammuisi, sillä Auringon säteilyä ei enää olisi. Jos esimerkiksi riittävän lähellä mustaa aukkoa on tähti, siitä lähtevää kaasua voi ajautua aukkoon. Tässä prosessissa vapautuva liike-energia ja kaasuatomien törmäykset kuumentavat kaasua. Kuumuus lähestyy ennen pitkää miljoonan asteen lämpötilaa, ja aukkoon kiertyvästä kaasusta lähtee röntgensäteilyä. Säteily on niin voimakasta, että se voidaan havaita satelliittimittalaitteilla. Lähteenä käytetty dosentti Esko Keski-Vakkurin esitelmää.