1. Co widać na niebie?

Na półkuli północnej w pogodną noc można zaobserwować gołym okiem około 3000 gwiazd. Podobnie jest na półkuli południowej. Gdy użyjemy przyrządów optycznych, to liczba ta wzrośnie wielokrotnie. Obiekty te widoczne są na niebie, ponieważ emitują światło. Obserwatorowi z Ziemi wydaje się, że są one rozmieszczone na powierzchni pewnej kuli, o bardzo dużym promieniu i środku pokrywającym się ze środkiem Ziemi. Powierzchnię takiej pozornej kuli nazywamy sferą niebieską. Rozmieszczone na niej gwiazdy tworzą grupy zwane gwiazdozbiorami.
Poszczególnym gwiazdozbiorom nadano nazwy odpowiadające ich charakterystycznym kształtom. Ziemia się porusza, a to oznacza, że gwiazdozbiory zmieniają swoje położenie. O każdej porze roku widzimy zatem nieco inne niebo. Niektóre gwiazdy sprawiają wrażenie nieruchomych, dobrze widocznych punktów. Od dawna pozwalały one określać kierunki geograficzne i ułatwiały orientację np. na morzu. Na półkuli północnej taką gwiazdą jest Gwiazda Polarna znajdująca się na końcu dyszla w gwiazdozbiorze Mały Wóz.

2. Jak wygląda Układ Słoneczny?

Układ Słoneczny tworzą: Słońce, planety, liczne księżyce i najróżniejsze inne, drobne ciała niebieskie. Wokół centralnie położonego Słońca poruszają się kolejno Merkury, Wenus, Ziemia, Mars, nazywane planetami wewnętrznymi. Mają one podobne rozmiary i podobną, skalistą, twardą budowę, dużą gęstość i metaliczne jądro. Kolejne planety: Jowisz, Saturn, Uran i Neptun zbudowane są głównie z wodoru i helu w stanie ciekłym i gazowym. Prawdopodobnie mają też małe, metaliczne jądro, a na ich powierzchni panują bardzo wysokie temperatury. Te planety mają od kilku do kilkunastu księżyców. Pluton, najmniejszy i najodleglejszy od Słońca, bardzo różni się od pozostałych planet Układu Słonecznego. W zasadzie jest dużą lodową planetoidą i razem z innymi drobnymi ciałami wchodzi w skład tzw. pasa Kuipera. Obecnie nie jest już zaliczany do planet. Pas Kuipera to zbiór wielu niedużych ciał niebieskich poruszających się wokół Słońca poza orbitą Neptuna.

3. O czym mówi pierwsze prawo Keplera?

Ruch planet wokół Słońca odbywa się zgodnie z prawami sformułowanymi przez Keplera na podstawie obserwacji astronomicznych.

Pierwsze prawo mówi, że ruch każdej planety wokół Słońca odbywa się po orbicie eliptycznej, a Słońce znajduje się w jednym z ognisk tej elipsy. Ciała niebieskie, poruszając się po takiej orbicie, przechodzą przez dwa charakterystyczne punkty. Peryhelium to położenie najbliższe Słońca, a aphelium to położenie najdalsze. Punkty F1 i F2 to ogniska elipsy, a stosunek odległości c/a nazywamy mimośrodem elipsy. To on decyduje o kształcie danej elipsy.

4. Co wiadomo o prędkościach planet w ich ruchu dookoła Słońca?

Drugie prawo Keplera mówi o tym, że prędkość polowa planety w jej ruchu dookoła Słońca jest stała. Oznacza to, że promień wodzący planety w równych odstępach czasu zakreśla równe pola powierzchni.

5. O czym mówi trzecie prawo Keplera?

Kwadraty okresów obiegów planet wokół Słońca są wprost proporcjonalne do trzecich potęg ich średniej odległości od Słońca. Zapisujemy to za pomocą wzoru:

Jest to prawdziwe dla wszystkich planet Układu Słonecznego.

6. W jaki sposób badamy wszechświat?

Prawie wszystkie obiekty astronomiczne są niedostępne do badań bezpośrednich, ponieważ znajdują się w ogromnych odległościach od Ziemi. Zdobywanie informacji musi więc mieć charakter pośredni. Informacje z kosmosu docierają na Ziemię przede wszystkim dzięki promieniowaniu elektromagnetycznemu. Możemy analizować jego natężenie, zmienność, widmo, polaryzację, kierunek i oczywiście tworzone obrazy.

Bezpośrednio badamy jedynie meteoryty, którym udało się dotrzeć na Ziemię, oraz próbki materii pozaziemskiej zebrane np. przez sondy kosmiczne.

Do powierzchni Ziemi dociera z kosmosu tylko pewna część promieniowania. Jest to światło widzialne i fale radiowe. Pozostałe promieniowanie jest pochłaniane lub rozpraszane w atmosferze i dlatego wiele obserwacji prowadzi się z wykorzystaniem satelitów badawczych wysyłanych daleko w przestrzeń. Na Ziemi prowadzimy więc obserwacje za pomocą teleskopów optycznych lub radioteleskopów.

7. Jak daleko jest z Ziemi do gwiazd?

Światło ze Słońca do Ziemi biegnie około 500 sekund. Kolejną najbliższą gwiazdą po Słońcu jest Proxima Centauri. Światło z niej dociera na Ziemię w ciągu 4,28 lat! Wszystkie inne obserwowane gwiazdy znajdują się w odległościach znacznie większych. Światło wysłane z tych gwiazd dociera do Ziemi po upływie setek lub tysięcy lat! Może więc być tak, że obserwowana przez nas gwiazda w chwili obecnej już nie istnieje, a światło od niej dopiero biegnie do powierzchni Ziemi! Światło docierające do Ziemi z gwiazd pochodzi zatem z bardzo różnych okresów. Odległości w kosmosie wyrażamy w latach świetlnych. Jeden rok świetny to odległość, jaką promień światła przebywa w ciągu jednego roku. Jest on równy odległości około 9,4650 · 1015 m!

8. Co wiemy o gwiazdach?

Gwiazdy są kulistymi obiektami gazowymi, które emitują energię. Jej źródłem są reakcje syntezy termojądrowej zachodzące w ich wnętrzach. Gwiazda ma ogromną masę, więc pod wpływem swojej grawitacji powinna się zapadać i zmniejszać objętość. Jednak siły grawitacji są w tym przypadku równoważone przez ogromne ciśnienie, wytwarzane we wnętrzu gwiazdy. Zatem gwiazda ani się nie rozszerza, ani się nie kurczy.

Obserwowane z Ziemi gwiazdy różnią się barwą. Jedne są czerwone, inne pomarańczowe, bladożółte lub niebieskie. Kolor gwiazdy jest związany z temperaturą jej powierzchni. Gwiazdy o najwyższych temperaturach emitują światło białe, a o temperaturach najniższych – światło czerwone. Wszystkie gwiazdy podzielono na siedem typów widmowych. Każdy typ to nieco inny rodzaj widma emitowanego światła, zależny od temperatury i barwy światła.

Na podstawie analizy widma światła gwiazd można również ustalić ich skład chemiczny. Zmienia się on nieco wraz ze starzeniem się gwiazd. Wiadomo jednak, że około 70–75 % warstw powierzchniowych gwiazd stanowi wodór, a hel 25%. Zawartość innych pierwiastków, takich jak węgiel, azot i tlen, wynosi od 0,04% do 4%.

Gwiazdy mają określony czas „życia”, w którym ulegają zmianom. Takie zmiany nazywamy ewolucją gwiazd. Wśród gwiazd, obserwowanych na sferze niebieskiej, są gwiazdy w różnych stadiach rozwoju. Niektóre z nich dopiero się „rodzą”, inne są w wieku „dojrzałym”, a jeszcze inne właśnie kończą swoje życie.

9. Co to są galaktyki?

Na pogodnym niebie ciągnie się w poprzek jasne pasmo. To Droga Mleczna, czyli widziany z Ziemi obraz naszej Galaktyki.

Galaktyką nazywamy skupisko ogromnej liczby gwiazd i materii międzygwiazdowej powstałe w wyniku oddziaływań grawitacyjnych. Nasza Galaktyka składa się z kilkuset miliardów gwiazd oraz z pyłu skoncentrowanego w postaci mgławic. Ma ona kształt dysku z wybrzuszeniem w środkowej jego części. W jednym ze spiralnych ramion znajduje się Słońce i cały nasz Układ Słoneczny. Droga Mleczna widziana na niebie jest właśnie tym dyskiem oglądanym „od środka” (rys. 5).

Nasza Galaktyka nie jest, oczywiście, jedynym obiektem we wszechświecie. W wyniku intensywnych obserwacji stwierdzono istnienie we wszechświecie około 100 miliardów innych galaktyk! Galaktyki łączą się z kolei w gromady. Nasza Galaktyka tworzy wraz z 30 innymi galaktykami tzw. Grupę Lokalną Galaktyk.

10. Co wiadomo o powstaniu wszechświata?

Wszechświat nie jest jednorodny. Oprócz materii zgrupowanej w galaktykach znajdują się w nim również obszary pustki galaktycznej. Wszechświat rozszerza się, czego dowodem jest wzajemne oddalanie się galaktyk od siebie. Im większa jest odległość między nimi, tym szybciej się od siebie oddalają. To pozwala przypuszczać, że w momencie powstania wszechświata cała materia musiała być skoncentrowana w jednym punkcie.

Moment powstania wszechświata nazywamy Wielkim Wybuchem. Astronomowie oceniają, że nastąpił on prawdopodobnie 12-13 miliardów lat temu. Tak zwany model Wielkiego Wybuchu zakłada, że początkowo cała energia, materia i przestrzeń były skupione w jednym, osobliwym punkcie. Miał on niewiarygodnie dużą gęstość i ogromną temperaturę. Materia była wtedy rozłożona na najbardziej elementarne składniki. Z tego punktu rozpoczęła się, porównywalna do Wielkiego Wybuchu, ekspansja wszechświata, czyli rozszerzanie jego przestrzeni i materii. Ten proces trwa do dziś. W miarę rozszerzania się temperatura i średnia gęstość materii maleją.

Kosmolodzy przypuszczają, że wszechświat będzie się rozszerzał i oziębiał bez końca. W końcu wygasną wszystkie gwiazdy, a nowe nie będą powstawać, gdyż materia będzie już zbyt rozrzedzona.

Istnieje też inny model, według którego po osiągnięciu maksymalnych rozmiarów wszechświat zacznie się znów kurczyć, aby powrócić do punktu wyjścia!