Zooma in på fysik 7–9

Centralt innehåll

Kapitlet handlar om:

• att vi ännu bara utforskat vår allra närmaste omgivning i världsrymden
• hur de grundämnen som bygger upp både oss och jorden vi bor på bildats i stjärnor
• hur vi genom att studera många olika stjärnor i olika skeden av deras livscykel kan förstå vår egen stjärna, solen, bättre
• att få perspektiv på människans roll i universum, både i tid och rum
• att de speciella verktyg och arbetsmetoder som utvecklas inom astronomin också kommer till användning i det dagliga livet.

Undervisningstips och tilläggsinformation

På EduGalaxens webbplats finns en stor mängd information och material som rör astronomi och som fritt kan användas.

s. 121 Vårt universum växer

När experimentets ballong växer ökar avståndet mellan allt det som finns utmärkt på ballongen, utan att något egentligen rör på sig.  Så är det också med vårt universum: själva rymden expanderar. Avståndet mellan de markeringar som är nära varandra ökar inte speciellt mycket, men de som från början är rätt långt från varandra påverkas stort när ballongen blåses upp. Blåser du upp ballongen växer den och det motsvarar universums expansion.

s. 123 Bygg en robotarm som kan lyfta en läskburk

En robotarm i rymden är en fast punkt för en astronaut som arbetar utanför rymdstationen. Robotarmen kan också utföra reparationer och bygga ut rymdstationen. Diskutera hur en robotarm fungerar, vilka funktioner robotarmen ska ha och till vad dessa behövs. Robotarmen kan byggas bara som en mekanisk modell med rörliga delar eller som en robotarm som fungerar med hjälp av hydraulik.

s. 125 Jorden rör sig i omloppsbana kring solen

Efter experimentet kan ni fortsätta att diskutera.

Jorden rör sig kring solen i en omloppsbana.

1. Tänk dig att den stora kulan är jorden och den lilla är en asteroid.
a) Vad händer med rumtidens krökning om jorden skulle få större massa? Du kan trycka på jorden för att simulera detta.
b) Vad händer då med jordens dragningskraft? Blir den större eller mindre?
c) Vad händer då med risken att bli träffad av en asteroid? Blir den större eller mindre?
d) Hur ska det gå till för att asteroiden ska hamna i omloppsbana runt jorden?

2. Tänk dig att den stora kulan är jorden och den lilla är månen.
a) Hur påverkas månens omloppstid om månen skulle befinna sig närmare jorden?
b) Vad händer om du placerar månen i en elliptisk, det vill säga en oval, omloppsbana?
c) Vad skulle hända om jorden och månen hade samma massa?
d) Vad skulle hända om jorden hade två likadana månar i omloppsbana?
e) Kan du sätta månen i evig omloppsbana i denna modell?

3. Vad händer om du lägger två stora kulor i mitten, med ett litet avstånd mellan dem, och sätter en liten kula i omloppsbana runt båda?

s. 126 Andromedagalaxen

Om vi kunde se mer av Andromedagalaxen än galaxens ljusstarka centrum, skulle den uppta en betydligt större del av synfältet än vad fullmånen gör. För att få en bild av galaxer tar man ofta många bilder och kombinerar bilderna för att bygga upp en så bra bild som möjligt.
Observera att de enskilda stjärnor som syns i bilden finns i vår egen galax, Vintergatan. Fotograferar man ett så stort område som Andromedagalaxen är det alltid en mängd stjärnor som skymmer sikten.

Anta att det finns en biljon (10^12 eller 1 000 000 000 000) stjärnor i Andromedagalaxen. 

1. Varför är det så svårt att veta hur många stjärnor det finns i galaxen? 
Avståndet är stort, det är motljus överallt och stjärnorna finns både bakom och framför varandra. Ni kan säkert hitta många fler problem.

2. Hur länge skulle det ta att räkna stjärnorna om vi räknade 3 stjärnor i sekunden, dygnet runt?
3⋅60⋅60⋅24⋅365= 94 608 000. 

Vi hinner i det tempot med knappt 100 000 000 stjärnor på ett år. Vi skulle då behöva mer än 10 000 år på oss för bara räknandet, utan att en enda gång behöva fundera på om det är en, två eller fler stjärnor i en ljus fläck.

Det är absolut inte viktigt att få ett svar på den här frågan men det är ett sätt att få ett litet grepp om hur många stjärnor som finns i en galax, stor som Andromedagalaxen.

s. 129 Bygg ett spektroskop 

Ett spektroskop kan till exempel i ett laboratorium användas för att undersöka vilka ämnen ett föremål består av, vad en vätska innehåller och vilka våglängder ljuset har. Spektroskop används också i rymden. Till exempel Mars-rovern använder sig av spektroskop för att undersöka ämnen som hittas på Mars yta. Tekniken kan också användas i säkerhetskontroller på flygplatser.

Bäst ser ni resultat med era egenhändigt byggda teleskop om ni ser på ljuset från lysrör eller från energisparlampor som bygger på samma teknik. Gasen som upphettas i dem ger fina linjer att iaktta. Glödlampor och LED-lampor har ett närmast kontinuerligt spektrum som gör att du kan se en helgjuten regnbåge i spektroskopet. Om ni har natriumlampor i närheten, till exempel de gulaktiga lampor som används vid vägbelysning, får ni bara en linje i spektroskopet.

s. 132 Kan du avgöra vilken ljuskälla som är närmast?

En starkt lysande stjärna kan lika gärna vara en svagt lysande stjärna som är nära eller en starkt lysande stjärna långt borta. Det är svårt att avgöra om ljuskällan är liten och ljusstark eller stor och ljussvag. De här utmaningarna kan ni få en uppfattning om genom att se på bilder av olika ljuskällor och försöka beskriva ljuskällans egenskaper. 

Det går fint både att se på bilden i en skärm och att ta bilder som man sedan analyserar. Viktigt är att ni har en så neutral omgivning som möjligt så att inte omgivningen syns i bilden och ger ledtrådar. Sådana ledtrådar finns inte när vi ser på stjärnor. En mörk höstkväll på en asfalterad parkeringsplats fungerar detta fint.

Intressant kuriosa:
Kring Proxima Centauri har man hittat en planet. Den planeten är den exoplanet som är och kommer att vara närmast oss. Skulle någon på den planeten se på vårt solsystem skulle de se hur det såg ut för fyra år sedan.

s. 134 Krabbnebulosan

Beroende på vilka väglängder av elektromagnetisk strålning vi fångar in får vi olika information. Bilden i mitten är tagen i det vi kallar synligt ljus. Det är i princip på samma sätt som mobilkameran fångar ljuset; RGB, alltså rött, grönt och blått. På astronomiska avstånd är det vanligast att man fotograferar en färg åt gången, alltså en bild med rödfilter, i vilken endast det röda ljuset kommer igenom, en bild med grönt filter, osv. På så sätt får man tre svartvita bilder som var och en representerar en färg. När bilderna förs samman får vi en färgbild som visar motivet så som vi skulle se motivet om vi var nära nog.

Bilden till vänster är fotograferad i längre våglängder än det synliga ljuset. Det är samma princip som används i en värmekamera. Här är det också de varmaste områdena, de med mest energi, som framträder.

Bilden till höger visar kortvågig strålning. Den strålningen har hög energi och vore skadlig för oss människor. Jordens atmosfär hindrar dock kortvågig strålning från rymden att nå jordytan. Därför kan vi inte använda sensorer för kortare våglängder än det synliga ljuset när vi använder markbaserade teleskop. Bilden här är tagen från NASA’s rymdteleskop, Chandra.

Krabbnebulosan växer fortfarande. Varje sekund expanderar den nära 1 500 km.

Här är en länk till bilder vi har av Stefans kvintett, fem galaxer i en tät grupp. Här ser vi hur bilden förändras beroende av vilket teleskop vi använder och vilka våglängder av EMR, elektromagnetisk strålning, vi samlar in informationen med.
Video:

s. 135 Pluto

Avståndet mellan solen och Pluto varierar mellan knappa 30 AU (AU är förkortning för astonomisk enhet) när den är som närmast och drygt 49 AU när den är som längst bort från solen. Solljuset behöver alltså mellan fyra och sju timmar på sig för att nå Pluto, beroende på var i sin omloppsbana Pluto befinner sig.

Ändå är avståndet till Pluto kort jämfört med avståndet till stjärnorna, förutom då till solen. Det tar ljuset mer än fyra år att färdas mellan solen och Proxima Centauri, som är solens närmaste grannstjärna. 

Ändå hade vi inte bättre bild av Pluto än den till vänster innan rymdsonden New Horizons flög förbi. Detta trots att bilden till vänster fotograferades av rymdteleskopet Hubble. Ett teleskop stor som den största husbil du sett.

Vad månne vi skulle se om vi hade en rymdsond som hade hunnit ut till Karlavagnen? Om en rymdsond färdades med 20 km/s, vilket är något snabbare än New Horizons färdas med för tillfället, skulle det ta 1,2 miljoner år att nå 80 ljusår ut i Vintergatan. Det är på det avståndet de flesta stjärnorna i Karlavagnen finns. Det skulle dessutom ta mer än en människas livslängd att sända informationen tillbaka till jorden.

För att en himlakropp ska kallas planet måste den uppfylla tre krav:

• den ska kretsa kring en stjärna
• den ska vara tillräckligt stor för att gravitationen ska forma den till en sfär
• den ska dominera sin omloppsbana, vilket betyder att det inte ska finnas en massa andra himlakroppar i dess omloppsbana.

Vilket av dessa krav är det som Pluto inte uppfyller?

s. 136 Rovern Perseverance

Har du tänkt på att Mars är den enda planeten som enbart besökts av robotar? Totalt har människor lyckats sätta ner sex rovrar på Mars yta så pass väl att de lyckats slutföra sina uppdrag och mer därtill. Perseverance är i skrivande stund den senaste rovern. Förutom att leverera högupplösta närbilder och översiktsbilder på vår grannplanets yta har uppdragen blivit allt mer ambitiösa. 

Perseverance är utrustad med 23 kameror anpassade för olika våglängder. Den har också instrument för att undersöka vädret på Mars. Den kan utföra en del analyser av mineraler med hjälp av spektrometri och testar också teknik för att utvinna syre ur Mars koldioxidatmosfär. Kommande expeditioner ska sedan plocka hem de cylindrar med prover som Perseverance lämnat efter sig på Mars yta.

s. 137 James Webb Space telescope, JWST

Teleskopet är konstruerat för flera olika uppdrag. Vi läste tidigare att vi med hjälp av Hubble-teleskopet har kunnat se både långt ut i vårt universum och långt tillbaka i tiden. Ett problem med det senare är att allt ljus som kommer långt ifrån, både i tid och rum, har förkjutits mot det röda hållet. Det är det vi kallar rödförskjutning. Våglängderna har helt enkelt töjts ut på grund av universums expansion. Det betyder att ljuset från en stjärna som lyste med blåaktigt ljus för 12 miljarder år sedan på ett avstånd om 12 miljarder ljusår från oss är rött när det når våra teleskop. Om stjärnan sände ut ett mer gulaktigt eller rödaktigt sken så är våglängderna på det ljus som når våra teleskop längre än de vi kan se med våra ögon. Det är infrarött. På grund av detta är JWST anpassat för elektromagnetisk strålning i längre våglängder än Hubbleteleskopet, HST. Ett av huvuduppdragen med JWST är just att se så långt bort och så långt tillbaka i tiden som det bara är möjligt, tillbaka till tiden när de första stjärnorna sände sina allra första strålar.

Andra uppdrag som ska utföras av JWST är att få bättre information om extrasolära planeter, planeter som inte kretsar kring solen utan kring en annan stjärna. Normalt kallar vi dem exoplaneter. För detta krävs också största möjliga spegel. 

En stor spegel betyder givetvis också en stor konstruktion. När Hubbleteleskopet skulle ut i rymden fanns rymdfärjorna att tillgå. Teleskopet kunde i princip monteras på jorden och föras ut i rymden i en rymdfärja som sedan placerade teleskopet i sin omloppsbana. JWST är betydligt större än HST. Rymdfärjorna har tagits ur trafik. Här finns den utmaning som gjorde att teleskopet måste vara ihopfällbart.

Vid uppskjutningen var JWST ihopvikt i noskonen på en Ariane-5:a, en av de verkligt stora och stabila raketerna. Raketen skjutsade sedan ut JWST i exakt rätt ögonblick, i exakt rätt riktning och fart för att teleskopet skulle glida ut till Lagrangepunkt 2, 1½ miljoner kilometer ut från Jorden. Detta lyckades så pass bra att bara hälften av den mängd bränsle av JWST’s eget förråd som beräknades gå åt till att justera färden och bromsa in vid L2 gick åt. Det i sin tur betyder att teleskopets aktiva tid i stort sett fördubblades.

Bildanalysfrågor

Här finns frågor som förslag till ganska fri bildanalys. Du kan använda frågeorden på pärmen, välja bland frågorna här under eller formulera helt egna frågor och funderingar.

s. 120 Inledningsbilden

På vilket sätt är den här inledningsbilden annorlunda än de tidigare?
Märkte du att rymdsonden finns på en annan sida än själva bilden?
Varför är det så?
Varför är det så svårt att rita en vettig bild som visar avstånd i rymden?

s. 123 Robotarmen

Varför behöver forskare en robotarm i rymden?
Varför plockar de inte upp allt med sina egna händer?
Vilken nytta har vi av forskning i rymden?
Finns liknande robotarmar på andra ställen i samhället?
Var skulle du vilja att robotarmar används? 
Var skulle du ha nytta av en robotarm?

s. 124 Vintergatan

Varför är bilden så mörk?
Hur skulle bilden se ut om du tog en bild inne i en stad?
Har du någon gång varit på en plats där det inte fanns någon enda lampa eller nåt ljussken?
Hur kändes det? Vad märkte du?
Vad tror du en ljusförorening är?

Facit till uppgifter på sidorna 140–141

1.
A) Signalerna blir svagare ju längre avståndet är. En parabolantenn är effektiv både när den samlar in signaler vid mottagning och riktar signaler vid sändning av information.

2. 
Den galax där jorden befinner sig. 

3. 
Ett ljusår är den sträcka ljuset når under ett år.
300 000 km/s · 365,24 · 24 · 60 · 60 s ≈ 9,5·10^12 km, eller 9,5 biljoner kilometer. En sträcka som skulle ta kring 1 200 000 år att flyga med ett snabbt trafikflyg.

4. 
En supernova är en kraftfull explosion i universum. Vid den våldsamma explosionen bildas energi i form av gasmassor och strålningar som är hundra miljoner gånger starkare än solen. I den här explosionen bildas många grundämnen. 

5. 
Ca 13,8 miljarder år gammalt.

7. 
Direkt efter Big Bang var temperaturen så hög att inte ens atomer kunde hålla ihop. Allt var plasma, och plasmat var allt.

8. 
Du kan se vilka grundämnen och kemiska föreningar som finns i ljuskällan, eller i gasmoln mellan dig och ljuskällan.

10. 
A) Vi kan se omloppsbanan som en cirkel. Då är omkretsen 2πr = 2 · π · r.
2 · π · 150 000 000 km ≈ 940 000 000 km

B) Ett varv kring solen tar ungefär 365,25 dygn. Att det tar lite mer än 365 dygn gör att vi sätter in en extra dag vart fjärde år.

C) Vi kan dela den sträcka jorden rör sig kring solen under ett helt år och sen dela det med antalet dygn under ett år. Vi har ju redan räknat ut hur lång jordens bana kring solen är:

940 000 000 km/365 dygn är ungefär 2 600 000 km/dygn

D) Vi delar det vi fick i c-uppgiften (helst oavrundat) med 24 (antalet timmar i ett dygn)

2 575 342 km/24 h är ungefär 110 000 km/h

E) Vi delar den sträcka jorden hinner på en timme med 60 (helst, igen, oavrundat):

107 305 km/60 min är ungefär 1 800 km/min

Fortsätter vi att dela med 60 kommer vi fram till att jordens fart i omloppsbana är 30 km/s.

Ordförklaringar

• Galax
• Gravitation
• Himlakropp
• Ljusår
• Nebulosa
• Plasma
• Rymdsond
• Sensor
• Spektroskop
• Stjärnhop
• Supernova
• Svart hål
• Teleskop

Pdf-dokument att skriva ut. Kontrollera inställningarna på din skrivare så att korten skrivs ut rätt. Ordet ska finnas på kortets ena sida och förklaringen på andra sidan.