Szkoła Podstawowa Klasy IV VI Doświadczenie konkursowe nr 3 Rok 2017
1. Wstęp teoretyczny Ludzka wyobraźnia łączy rozproszone po niebie gwiazdy w pewne charakterystyczne wzory, ułatwiające nawigację po niebie. Już w dawnych czasach ludzie wyodrębnili grupy gwiazd, z których część przypominała im zwierzęta (Wielka i Mała Niedźwiedzica, Wielki i Mały Pies, Łabędź, Orzeł, Baran, Byk), stworzenia mityczne (Smok, Centaur, Pegaz) czy bohaterów (Orion, Herkules, Perseusz). W ten sposób cały obszar nieba został podzielony według tych charakterystycznych zbiorów gwiazd na gwiazdozbiory. W najstarszym, pochodzącym z II w n.e. spisie gwiazdozbiorów, sporządzonym przez greckiego astronoma Klaudiusza Ptolemeusza, było ich tylko 48. W czasie epoki odkryć geograficznych, Europejczycy zaczęli podróżować na południe i obserwować fragmenty nieba niewidoczne z Europy. Wówczas astronomowie zaczęli tworzyć nowe konstelacje, ale ze względu na to, że nie istniały żadne reguły wskazujące jak należy to robić, każdy astronom dzielił niebo według własnego uznania. Pojawiło się wiele nowych gwiazdozbiorów, nie tylko po to, by wypełnić mapy nieba, takie jak poniżej przedstawiona mapa żyjącego w XVII wieku astronoma gdańskiego Jana Heweliusza (Rys.1), ale również by przypodobać się władcom, na cześć których nazywano gwiazdy i konstelacje. Rysunek 1. Mapa nieba północnego z atlasu Jana Heweliusza z zaznaczonymi gwiazdozbiorami i figurami symbolizującymi te konstelacje. W końcu astronomowie uznali, że należy wprowadzić pewien porządek w nazewnictwie i przebiegu granic pomiędzy konstelacjami. W ten sposób, w 1930 r. Międzynarodowa Unia Astronomiczna ustaliła podział nieba na 88 gwiazdozbiorów. Codziennie widzimy jak nad naszymi głowami przemieszczają się gwiazdy, ale nie obserwujemy by zmieniały one swoje położenia względem innych gwiazd. Widoczny ruch gwiazd na niebie ze wschodu na zachód spowodowany jest oczywiście obrotem Ziemi wokół własnej osi. Z kolei to, że Ziemia obiega Słońce powoduje, iż w zimie widzimy gwiazdozbiory nieobecne w lecie. Jednak zawsze o tej samej porze roku, widzimy te same konstelacje i to w tych samych miejscach na niebie. Z tego właśnie powodu, przez stulecia ludzie wierzyli, że położenia gwiazd są niezmienne. Nie jest to jednak prawda, co można sprawdzić porównując współczesne mapy nieba z tymi, które zostały opracowane przed wiekami. Wszystkie gwiazdy w Galaktyce poruszają się z pewną prędkością, obiegając centrum galaktyki 2
podobnie jak planety obiegają Słońce. Na przykład Słońce, z całym Układem Słonecznym, porusza się z prędkością ok. 220 km/s. Gwiazdy tworzące poszczególne gwiazdozbiory są zazwyczaj tak bardzo oddalone od siebie, że w żaden sposób na siebie nie wpływają. Dodatkowo gwiazdy te znajdują się w różnych odległościach od Słońca. W związku z tym, każda gwiazda konstelacji porusza się względem Słońca praktycznie niezależnie od pozostałych. Gdybyśmy mogli obserwować niebo przez bardzo długi okres czasu zauważylibyśmy, że gwiazdy powoli zmieniają swoje położenie względem innych gwiazd, zmieniając tym samym wygląd konstelacji. Oprócz wspomnianego powyżej ruchu własnego gwiazd, jeszcze jedno zjawisko wpływa na to, że nocne niebo nie zawsze będzie tak wyglądało jak wygląda dzisiaj. W wyniku przyciągania Słońca i Księżyca, oś Ziemi (nachylona pod kątem 23,5 do płaszczyzny orbity) nie jest stale skierowana w jednym kierunku, lecz zatacza powoli okrąg wokół prostej prostopadłej do płaszczyzny orbity (Rys.2). Zjawisko to nazywa się precesją. Czas, po jakim oś obrotu Ziemi zatoczy pełen okrąg nazywa się rokiem platońskim. Jest to okres bardzo długi trwa około 26 tysięcy lat. Rysunek 2. Precesja osi ziemskiej. Kierunek ruchu precesyjnego osi ziemskiej jest oznaczony czerwonymi strzałkami. 2. Cel doświadczenia Celem doświadczenia jest ukazanie wiekowych zmian w układach gwiazd na niebie pod wpływem ruchów własnych i precesji. 3. Opis wykonania doświadczenia Do wykonania doświadczenia wykorzystamy darmowy program Stellarium. Można go pobrać ze strony http://www.stellarium.org/pl/. Zaraz po uruchomieniu programu zobaczymy widok nieba (Rys.3). 3
Rysunek 3. Główny widok programu Stellarium. Za pomocą myszki i strzałek na klawiaturze możliwe jest obracanie i powiększanie widoku, wybór obiektów na niebie, itd. Sterowanie jest zasadniczo intuicyjne i nie powinno sprawiać większych trudności. W razie jednak ich wystąpienia, można skorzystać z okna pomocy (klawisz F1). Po przemieszczeniu myszki w rejon lewego dolnego rogu okna, ukaże się nam pasek, zawierający opcje widoku i sterowania czasem (Rys.4). Możliwe jest włączenie/wyłączenie widoku ziemi, atmosfery, siatek współrzędnych, itd. Możliwe jest również przyspieszanie, spowalnianie, zatrzymywanie, odwracanie biegu czasu oraz wyjście z programu. Rysunek 4. Dolny pasek programu. Podobnie, po przemieszczeniu kursora w lewy rejon ekranu, ukaże się nam kolejny pasek umożliwiający wybór bardziej zaawansowanych opcji: lokalizacji obserwatora, daty i godziny obserwacji, wyszukiwania obiektów, itp. (Rys.5). 4
Rysunek 5. Lewy pasek programu. W menu lokalizacji możemy ustalić nasze położenie, wybierając planetę, kraj i miejscowość, bądź wpisując odpowiednie współrzędne (Rys.6). Rysunek 6. Okno lokalizacji. Podobnie, wybierając z lewego paska okno Daty/Czasu, możliwe jest ustalenie momentu obserwacji (Rys.7). 5
Rysunek 7. Okno Daty/Czasu. Korzystając z pomocy programu Stellarium, znajdź gwiazdozbiór Wielkiej Niedźwiedzicy w dniu, w którym przeprowadzasz doświadczenie. Zapisz nazwy własne siedmiu najjaśniejszych gwiazd, składających się na charakterystyczny układ zwany Wielkim Wozem. Wykonaj zrzut ekranu, prezentujący obecny wygląd Wielkiego Wozu. Następnie przejdź do roku 100 000 przed nasza erą i wykonaj podobny zrzut ekranu. Powtórz tę czynność dla roku 100 000 naszej ery. Porównaj wygląd gwiazdozbioru Wielkiej Niedźwiedzicy w tych trzech okresach czasu (obecnym, 100 000 lat p.n.e. i 100 000 lat n.e.). Co można wywnioskować na podstawie takiego porównania? Następnie wróć do czasów obecnych i znajdź Gwiazdę Polarną, położoną w pobliżu północnego bieguna nieba, w gwiazdozbiorze Małej Niedźwiedzicy. Jej obecne położenie stanowi dobry wskaźnik orientacyjny, pozwalający określić kierunek północny (Rys.2). Po odnalezieniu Gwiazdy Polarnej, widok w Stellarium powinien wyglądać mniej więcej jak na ilustracji poniżej (Rys.8). Po kliknięciu na Gwiazdę Polarną, ukażą się informacje na jej temat. Między innymi znajdziemy tu wartość wielkości gwiazdowej czy współrzędne gwiazdy. Wielkość gwiazdowa jest miarą jasności obiektu. Im mniejsza jest jej wartość, tym jaśniejszy jest obiekt. Bardzo jasne obiekty (Słońce, Księżyc, niektóre gwiazdy i planety) oznaczane są ujemnymi wielkościami gwiazdowymi. Z kolei współrzędne obiektów astronomicznych nazywają się: rektascensja (często oznaczana jako RA) i deklinacja. Są to odpowiedniki długości i szerokości geograficznej na Ziemi. Im deklinacja bliższa 90 stopniom, tym obiekt znajduje się bliżej bieguna niebieskiego. W celu wykonania kolejnej części doświadczenia, wygodnie jest włączyć linie gwiazdozbiorów, siatkę równikową, montaż paralaktyczny oraz wyłączyć atmosferę i ziemię (patrz strzałki na Rys.8). 6
Konkurs Astronomiczny Astrolabium Rysunek 8. Widok na Gwiazdę Polarną w Stellarium wraz z zaznaczonymi parametrami i ustawieniami podanymi w tekście. Siatka równikowa (zaznaczona cienkimi liniami) zbiega się w północnym biegunie nieba. Przyspiesz upływ czasu i obserwuj jak Gwiazda Polarna zmienia swoje położenie względem północnego bieguna niebieskiego. Za ile lat powróci ona w pobliże bieguna niebieskiego? Przyjmuje się, że Wielka Piramida w Gizie (Rys.9) została zbudowana około 2500 roku p.n.e. Piramidy zorientowane są wedle kierunków geograficznych i ówczesnego układu gwiazd. Jaka gwiazda pełniła rolę Gwiazdy Polarnej w czasie budowy Wielkiej Piramidy? Znajdź najjaśniejszą gwiazdę w odległości nie większej niż dwa stopnie od północnego bieguna niebieskiego dla podanej daty. 1 Rysunek 9. Piramidy w Gizie. Źródło: Wikipedia. Na koniec, znajdź jasną gwiazdę o nazwie Wega, która znajduje się w gwiazdozbiorze Lutni. Kiedy przyjmie ona rolę Gwiazdy Polarnej2? 1 2 www.wikipedia.pl Czyli kiedy znajdzie się w odległości nie większej niż 5 stopni od bieguna niebieskiego. 7