§ 38. ДОСЛІДЖУЄМО ЗОРІ І ГАЛАКТИКИ

• Назад до змісту довідника

ДІЙ (ДО ТЕМИ 5)

1. Знайди в інтернеті чи атласі зоряного неба три астрономічні явища, які можна спостерігати протягом цього року. Запиши дати їх появи.

1. Повне сонячне затемнення — 12 серпня 2026 року (смуга повної фази пролягає через Гренландію, Ісландію та північ Іспанії, а на території України спостерігається часткова фаза перед заходом Сонця).
2. Метеорний потік Персеїди — пік активності припадає на ніч із 12 на 13 серпня 2026 року (під темним заміським небом видно від 60 до 100 метеорів за годину).
3. Парад планет — 28 лютого 2026 року (на вечірньому небі невдовзі після заходу Сонця в один сектор шикуються Меркурій, Венера, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун).

2. Створи постер «Астрономічні явища, які ми можемо спостерігати без телескопа».

Постер містить три центральні розділи: «Метеорні дощі» (пояснення згоряння мікрочастинок у повітрі та приклади потоків Персеїди й Гемініди), «Місячні затемнення» (проходження Місяця крізь земну тінь і набуття криваво-червоного відтінку) та «Паради планет» (видиме зближення планет Сонячної системи вздовж лінії екліптики).

3. Створи хронологічну шкалу розвитку астрономії.

• ІІІ–І тисячоліття до н. е. (Стародавній світ): у Вавилоні, Єгипті та Китаї жерці розробили перші календарі для потреб землеробства та навчилися передбачати затемнення.
• IV ст. до н. е. — ІІ ст. н. е. (Античність): Арістотель навів докази кулястості Землі, а Клавдій Птолемей створив геоцентричну систему світу, де планети рухаються навколо нерухомої Землі.
• 1543 рік (Геліоцентрична революція): польський астроном Миколай Коперник видав книгу «Про обертання небесних сфер», де помістив у центр планетної системи Сонце.
• 1609–1610 роки (Початок телескопічних досліджень): Галілео Галілей спрямував першу зорову трубу на небо, відкрив гори на Місяці та чотири супутники Юпітера. Йоганн Кеплер сформулював закони руху планет.
• 1687 рік (Гравітаційна механіка): Ісаак Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння і пояснив причину орбітального руху небесних тіл.
• XIX століття (Народження астрофізики): учені застосували спектральний аналіз і фотографію, що дало змогу визначати хімічний склад, рух і температуру віддалених зір.
• 1920-ті роки (Відкриття галактик і розширення простору): Едвін Габбл довів існування окремих зоряних систем поза Чумацьким Шляхом і відкрив закон розбігання галактик.
• 1957 рік — наш час (Космічна епоха): запуск першого штучного супутника Землі, пілотовані польоти на Місяць, робота орбітальних телескопів «Габбл» і «Джеймс Вебб».

4. Дізнайся, які астрономічні явища покладено в основу лічби часу (рік, доба, місяць). У чому різниця між юліанським та григоріанським календарями? У яких країнах використовують сонячні (місячні, місячно-сонячні) календарі?

В основу лічби часу покладено три періодичні космічні процеси:

• Доба — це період повного оберту Землі навколо своєї осі відносно Сонця.
• Місяць — це період зміни фаз Місяця під час його руху навколо Землі (синодичний місяць триває близько $29{,}5$ доби).
• Рік — це період повного оберту Землі навколо Сонця (тропічний рік триває 365 діб 5 годин 48 хвилин 46 секунд).

Різниця між юліанським та григоріанським календарями:
Юліанський календар вважає тривалість року рівною $365{,}25$ доби, тому кожні 128 років він відстає від сонячного циклу на 1 добу. Григоріанський календар точніший: середня тривалість року в ньому становить $365{,}2425$ доби. Для цього роки, що закінчуються двома нулями, вважають високосними лише тоді, коли їхнє число ділиться на 400. На сьогодні різниця між цими календарями становить 13 діб.

Використання календарів у світі:

• Сонячні календарі діють як державні майже в усіх країнах планети (григоріанський стиль), а також в Ірані та Афганістані (сонячна хіджра).
• Місячні календарі використовують мусульманські країни (Саудівська Аравія та інші держави Близького Сходу) для визначення релігійних дат.
• Місячно-сонячні календарі застосовують в Ізраїлі як офіційний поряд із григоріанським, а також у Китаї, В’єтнамі та Індії для визначення традиційних народних свят.

5. Виконай віртуальну лабораторну роботу 37.1.

Тема: Спостереження та визначення параметрів найяскравіших зір за інтерактивною картою зоряного неба.

Мета роботи: навчитися визначати координати зір, їхні спектральні класи та порівнювати їх за світністю й температурою.

Хід роботи:

1. За допомогою інтерактивного планетарію знайдено три яскраві зорі нашого неба:

• Сіріус ($\alpha$ Великого Пса): спектральний клас A1, колір білий, температура поверхні близько $9900\text{ K}$, світність становить $25\text{ L}_{\odot}$, відстань до Землі дорівнює $8{,}6$ світлового року.
• Бетельгейзе ($\alpha$ Оріона): спектральний клас M1, колір червоний, температура поверхні становить $3500\text{ K}$, світність сягає близько $100\,000\text{ L}_{\odot}$, відстань становить близько 640 світлових років.
• Вега ($\alpha$ Ліри): спектральний клас A0, колір білий, температура поверхні становить $9600\text{ K}$, світність дорівнює $40\text{ L}_{\odot}$, відстань дорівнює 25 світлових років.

Висновок: зі збільшенням температури поверхні колір зорі змінюється від червоного до білого і біло-блакитного. Холодні червоні зорі можуть мати велетенську світність завдяки колосальним розмірам своєї площі поверхні.

ВСТУПНЕ ЗАПИТАННЯ ДО § 38

О, знайшла цікаве відео в інтернеті. Цікаво, чи дійсно Сонце таке маленьке?

Сонце здається маленьким лише в масштабах Всесвіту, де існують зорі-гіганти на зразок Бетельгейзе або Антареса, радіуси яких перевищують сонячний у сотні разів. Проте відносно планет нашої системи Сонце є велетенським об’єктом: його маса становить понад $99{,}8\,\%$ маси всієї Сонячної системи, а за об’ємом усередині нього можна було б умістити понад 1,3 мільйона таких планет, як Земля.

ДОСЛІДЖУЙ

• Обери три зорі з діаграми (наприклад: Сонце, Ріґель, Бетельгейзе). Порівняй їх за такими ознаками: температура поверхні (колір); світність (у скільки разів яскравіша/тьмяніша за Сонце); розмір (карлик, гігант, надгігант).

1. Сонце:

• Температура поверхні: близько $5800\text{ K}$ (жовтий колір, клас G).
• Світність: $1\text{ L}_{\odot}$ (еталон для порівняння).
• Розмір: жовтий карлик (радіус близько $700\,000\text{ км}$).

2. Ріґель:

• Температура поверхні: близько $12\,000\text{ K}$ (біло-блакитний колір, клас B).
• Світність: перевищує світність Сонця приблизно у $60\,000$–$100\,000$ разів.
• Розмір: блакитний надгігант (радіус більший за сонячний приблизно у 70 разів).

3. Бетельгейзе:

• Температура поверхні: близько $3500\text{ K}$ (червоний колір, клас M).
• Світність: перевищує світність Сонця приблизно у $100\,000$ разів.
• Розмір: червоний надгігант (радіус більший за сонячний приблизно у 1000 разів).

• Зроби висновок. Яка із зір найгарячіша? Яка — найбільша за розмірами? Яка — найяскравіша? Де розташоване Сонце серед них?

Найгарячішою зіркою серед трьох є Ріґель із температурою понад $10\,000\text{ K}$. Найбільшою за геометричним об’ємом та радіусом є Бетельгейзе. Найяскравішою є Бетельгейзе (разом із Ріґелем вони мають світність близько $100\,000\text{ L}_{\odot}$, що набагато перевищує показник Сонця). Сонце розташоване посередині головної послідовності діаграми і є помітно холоднішим, меншим і тьмянішим за ці зорі-надгіганти.

ПОМІРКУЙТЕ (У ТЕКСТІ ПАРАГРАФА, С. 237)

Поясни, чому саме нагріватися, а не охолоджуватися.

Якщо випромінювання енергії з поверхні перевищує її утворення в ядрі, внутрішній тиск газу падає і більше не здатний утримувати вагу речовини. Зоря під дією гравітаційних сил починає стискатися. Під час гравітаційного стиснення потенціальна енергія переходить у внутрішню теплову енергію руху молекул і йонів, тому густина речовини зростає і температура в надрах стрімко підвищується.

ДУМАЙ

1. Які фізичні властивості характеризують зорю? Яка головна відмінність між білими карликами, гігантами і надгігантами?

Зорю описують за допомогою маси, світності, температури поверхні, радіуса, густини та хімічного складу речовини в надрах.

Головна відмінність між цими групами полягає в розмірах, густині та стадії еволюції. Білі карлики — це кінцеві надщільні ядра згаслих зір розміром із Землю, де ядерні реакції припинилися. Гіганти й надгіганти — це сильно роздуті, розріджені зорі на пізніх стадіях життя, які мають колосальний радіус і випромінюють величезну світність під час горіння ядерного палива в шарах навколо ядра.

2. Що показує діаграма Герцшпрунга–Рассела? Які фази життя проходить зоря від народження до згасання?

Діаграма показує залежність між світністю зорі та температурою її видимої поверхні (спектральним класом).

Зоря проходить такі послідовні фази існування:

1. Народження: стиснення хмари газу й пилу в туманності та утворення протозорі.
2. Головна послідовність: стабільне життя зорі, де в ядрі відбувається термоядерний синтез гелію з водню.
3. Стадія гіганта або надгіганта: вичерпання водню в центрі, розширення та охолодження зовнішніх шарів.
4. Згасання: зорі масою менше $1{,}4\text{ M}_{\odot}$ скидають оболонку у вигляді планетарної туманності та стають білими карликами; масивніші зорі вибухають надновими і перетворюються на нейтронні зорі або чорні діри.

3. Чому зорі називають саморегульованими системами?

Зорі автоматично підтримують баланс між гравітаційним стисненням і тиском газу. Якщо тепловиділення зменшується, ядро стискається під дією сили тяжіння, від чого розігрівається до ще вищої температури. Це різко прискорює темп термоядерних реакцій, тиск газу зростає, зоря знову розширюється і повертається до початкової рівноваги.

4. Які спільні риси мають зорі, галактики і туманності, а чим вони відрізняються?

Спільна риса полягає в тому, що всі вони утворені переважно з водню й гелію, підпорядковані силам гравітації та пов’язані єдиним кругообігом речовини у Всесвіті.

Відмінності:

• Зорі — це поодинокі розжарені газові кулі, в надрах яких безперервно йдуть термоядерні реакції з виділенням світла.
• Туманності — це розріджені велетенські хмари пилу й газу, які слугують колискою для нових зірок або залишками після вибухів наднових.
• Галактики — це величезні системи, що утримують разом сотні мільярдів зір, зоряні скупчення, туманності та темну матерію навколо спільного центра тяжіння.

5. Як сонячна активність впливає на життя людей і техносферу Землі?

Під час сонячних спалахів виникає потужний потік заряджених частинок, що досягає орбіти нашої планети та породжує геомагнітні бурі.

У техносфері це виводить з ладу бортову апаратуру космічних супутників, спричиняє перевантаження в лініях електропередач через наведені індукційні струми, порушує роботу радіозв’язку та посилює корозію нафтогазопроводів.

У людей у дні магнітних збурень частішають загострення серцево-судинних хвороб, піднімається тиск і зростає ризик інсультів та інфарктів.

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Проведи мінідослідження: які зорі й туманності видно з території України протягом року (за атласом зоряного неба або мобільним застосунком).

• Цілий рік (навколополярна зона): Полярна зоря у Малій Ведмедиці, сузір’я Кассіопеї та Великої Ведмедиці.
• Взимку: яскраве сузір’я Оріона з червоним надгігантом Бетельгейзе та біло-блакитним Ріґелем. У поясі Оріона неозброєним оком та в бінокль видно світлу емісійну Туманність Оріона (М42). На півдні виділяється найяскравіша зоря всього неба — Сіріус.
• Навесні: сузір’я Лева із зорею Регул та Волопаса із зорею Арктур.
• Влітку: характерний Літній трикутник із зір Вега (сузір’я Ліри), Денеб (Лебідь) та Альтаїр (Орел). У Лірі за допомогою телескопа можна розгледіти кільцеву планетарну туманність М57.
• Восени: сузір’я Кассіопеї та Андромеди, де у темну ніч без приладів видно туманну пляму — сусідню велетенську галактику Андромеди (М31).

2. Змоделюй (на папері або в онлайн-симуляторі) еволюцію зорі (на вибір).

Для моделювання обрано шлях розвитку зорі сонячного типу (масою $M < 1{,}4\text{ M}_{\odot}$):

Зоря зароджується внаслідок гравітаційного стиснення водневої газопилової хмари і виходить на головну послідовність як жовтий карлик. На цьому стабільному етапі вона випромінює енергію за рахунок злиття водню в гелій протягом приблизно 10 мільярдів років. Після вигорання водню в ядрі зовнішні шари роздуваються, і зоря перетворюється на червоного гіганта. Наприкінці свого життєвого циклу зоря скидає оболонку у вигляді планетарної туманності, а її надщільне вироджене ядро залишається білим карликом, який повільно охолоджується.

3. Змоделюй розширення Всесвіту.

Для демонстрації закону розширення простору використано гумову надувну кульку та маркер:

1. На злегка надуту кульку маркером наносимо кілька точок, що позначають умовні галактики (точки А, Б, В, Г).
2. За допомогою гнучкої стрічки вимірюємо початкові відстані між обраною «нашою» точкою А та сусідніми галактиками: відстань А–Б дорівнює $3\text{ см}$, а відстань А–В — $6\text{ см}$.
3. Надуваємо кульку далі, збільшуючи її об’єм удвічі.
4. Повторні вимірювання показують, що відстань А–Б зросла до $6\text{ см}$ (збільшення на $3\text{ см}$), а відстань А–В зросла до $12\text{ см}$ (збільшення на $6\text{ см}$).

Висновок експерименту: галактики не пересуваються крізь простір самостійно, а віддаляються одна від одної внаслідок розтягнення самої поверхні (простору Всесвіту). При цьому віддаленіші об’єкти віддаляються з більшою видимою швидкістю, що цілком підтверджує закон Едвіна Габбла.

4. Виконай завдання симуляції 38.2.

Під час роботи з інтерактивною симуляцією підтверджено базові закономірності фізики зір і будови галактик:

• Розподіл зір за температурою: гарячі зорі спектральних класів O та B мають блакитний колір і температуру понад $15\,000\text{ K}$, тоді як холодні червоні зорі класу M мають температуру близько $3000\text{ K}$.
• Положення Сонця: наше світило займає місце всередині смуги головної послідовності з температурою поверхні близько $5800\text{ K}$ та світністю $1\text{ L}_{\odot}$.
• Кінцеві стадії еволюції: маса зорі слугує головним чинником її долі. Об’єкти з масою $M < 1{,}4\text{ M}_{\odot}$ утворюють планетарні туманності й залишають білі карлики, а зорі з більшою початковою масою вибухають як наднові, породжуючи пульсари або чорні діри.