8 · Astrophysics

Pearson Edexcel · International GCSE · Physics · נושא 8

חומר עזר

היקום והיסטוריה שלו

היקום מונה מיליארדי גלקסיות; כל גלקסיה מונה מיליארדי כוכבים; השמש היא כוכב אחד בשבת האפרחה. כוח הכבידה מעצב כל מסלול בה; כוכבים נולדים ומתים בדפוסים הקבועים על ידי מסתם; וההזזה האדומה של גלקסיות רחוקות מעידה על כך שהיקום כולו מתרחב—הוכחה לתחילתו: הפיצוץ הגדול.

Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Section 8 (הצהרות 8.1–8.18P). הצהרות הסופיות ב-P הן הרחבה לפיזיקה בלבד (מסמך 2P).

תנועה ביקום

יקום → מיליארדי גלקסיות → כל אחת מיליארדי כוכבים → מערכת השמש שלנו שוכנת בשבת האפרחה. חוזק שדה כבידה g משתנה לפי מסה וגודל—חלש יותר על הירח, חזק יותר על צדק. כוח הכבידה מחזיק כל מסלול: ירחים מקיפים כוכבי לכת, כוכבי לכת ושביטים מקיפים את השמש, לוויינים מלאכותיים מקיפים את כדור הארץ.

מעגל קרוב-מעגלי של כוכב לכת לצד מעגל אליפטי של שביט סביב השמש.

מסלולי כוכבי לכת הם קרובים לעגולים; מסלולי שביטים הם מאוד אקצנטריים—מהירים בסמוך לשמש, איטיים הרחק ממנה. מהירות מסלולית נובעת מהיקף ÷ תקופה:

$$v = \frac{2 \times \pi \times r}{T}$$

דוגמה פתורה. לוויין ברדיוס אורביטלי של 7000 ק"מ (r נמדד ממרכז כדור הארץ) עם תקופה של 5800 שניות: $v = 2\pi \times 7.0 \times 10^6/5800 \approx 7580$ מ'/ש' ≈ 7.6 ק"מ/ש'.

התפתחות כוכבים

כוכבים מסווגים לפי צבע, השוקל את טמפרטורת הפני שטח: כחול הכי חם → אדום הכי קר. כוכב דמוי שמש עובר נאבולה → סדרה ראשית (מיזון מאזן כבידה למיליארדי שנים) → ענק אדום → סופר-ענק אדום → סופרנובה → כוכב ניטרונים או חור שחור. כוכב כבד יותר משמש עובר נאבולה → סדרה ראשית → ענק אדום → סופר-ענק אדום → סופרנובה → כוכב ניטרונים או חור שחור.

שני מחזורי חיים: כוכבים דומי שמש מסתיימים כסופר-ענק לבן; כוכבים כבדים מסתיימים בסופרנובות, כוכבי ניטרונים או חורים שחורים. — שני מחזורי חיים: כוכבים דומי-שמש מסתיימים ככוכבי לבנים; כוכבים ענקיים מסתיימים בסופרנובה, כוכבי ניטרונים או חורים שחורים.

(P) בהירות כוכב מושווה באמצעות גודל מוחלט במרחק סטנדרטי; דיאגרמת הרץשפנג–רוסל מציגה גודל מוחלט מול טמפרטורה, עם הסדרה הראשית, הענקים והסופר-ענקים הלבנים כרצועות המרכזיות שלה.

קוסמולוגיה (P)

קווי ספקטרליים זזים לאדום כשהגלקסייה מתרחקת מהר יותר — ככל שהגלקסייה רחוקה יותר, כך ההזזה גדולה יותר. קווים ספקטרליים זזים לאדום כאשר גלקסיה מתרחקת מהר יותר; גלקסיות רחוקות יותר חוות שינוי גדול יותר.

מקור גל נע משנה את אורך הגל הנצפה (הזזה לאדום במקרה של התרחקות). הזזה לאדום בגלקסיות עולה עם המרחק, והיחס מכמות על ידי:

$$\frac{\Delta\lambda}{\lambda_0} = \frac{v}{c}$$

בדיקה פותרת. קו ספקטרלי ב500 נ"מ מופיע ב505 נ"מ בגלקסייה רחוקה: $\Delta\lambda/\lambda_0 = 5/500 = 0.01$, ולכן $v = 0.01c = 3000$ ק"מ/שניה.

הזזה לאדום העולה עם המרחק מעידה שהגלקסיות מתרחקות מהר יותר ככל שהן רחוקות יותר — היקום הוא מתרחב, מה שמצביע על תחילה חם וצפוף: המפץ הגדול. קרני המיקרו-גל הקוסמיות (CMB) — מיקרו-גלים חלשות מכל כיוון — הן שארית קרירה של קרינה זו, העמוד השני להוכחה.

בדוק את עצמך

סדר לפי גודל: גלקסייה, מערכת שמשית, יקום, כוכב.
מדוע g שונה בין כדור הארץ לירח?
ציין שני צורות מסלול של שביטים וכוכבי לכת.
חשב את מהירות האורביטל של לוויין ב-r = 42 000 ק"מ עם T = 24 שעות.
ציין את שני השלבים אחרי הסדרה הראשית עבור כוכב דמוי שמש.
מה אומר צבעו של כוכב?
(P) אילו שני גדלים מציג דיאגרמת HR?
(P) קו ב-400 נ"מ זז ל-404 נ"מ. חשב v/c.
(P) ציין שני סוגי ההוכחה למפץ הגדול.
(P) מדוע ההזזה לאדום עולה עם המרחק?

תשובות: 1 כוכב (הקטן ביותר) → מערכת שמשית → גלקסייה → יקום (הגדול ביותר); 2 t תלויה במסה וברדיוס של הגוף — הירח קטן ומפחית יותר, ולכן g שלו הוא כ-1.6 נ"ק; 3 כוכבי לכת — כמעט עגולים; שביטים — אלipses בעלי מישוריות גבוהה; 4 $r = 4.2 \times 10^7$ מ', $T = 86\,400$ ש'; $v = 2\pi \times 4.2\times10^7/86\,400 \approx 3060$ מ'/ש' ≈ 3.1 ק"מ/ש'; 5 ענק אדום, ואז סופר-ענק לבן; 6 טמפרטורת פני השטח שלו — כחול הכי חם, אדום הכי קר; 7 (P) גודל מוחלט מול טמפרטורה (או צבע); 8 (P) $\Delta\lambda/\lambda_0 = 4/400 = 0.01 = v/c$; 9 (P) ההזזה לאדום של גלקסיות העולה עם המרחק, וקרני המיקרו-גל הקוסמיות; 10 (P) ככל שהגלקסייה רחוקה יותר, כך היא מתרחקת מהר יותר — המרחב עצמו מתרחב, ולכן מהירות ההתרחקות עולה עם המרחק, מזיזה את האור עוד יותר לאדום.

מילון מונחים

אימון