Урок 31. Протопланетные диски, экзопланеты.
Тема. Протопланетные диски, экзопланеты, протозвёзды, гигантские молекулярные облака
Цели урока.
Учащиеся должны усвоить:
1. Условия возникновения планет около звёзд.
2. Методы обнаружения экзопланет около других звёзд.
3. О космических процессах формирования звезд и звездных систем при прохождением ГМО сквозь ветви галактической спирали.
Основные понятия: протопланетные диски, экзопланеты, протозвёзды, гигантские молекулярные облака
Демонстрационный материал: Иллюстрации. Интерактивные модели.
Самостоятельная деятельность учащихся: Выполнение тестовых заданий.
Мировоззренческий аспект урока: Развивать навыки логического мышления учащихся и научного подхода к изучению мира. Показать учащимся, что образование звёзд неразрывно связано с процессами, протекающими в космической среде. Показать учащимся на основе раскрытия фундаментальных природных закономерностей космические процессы формирования звёзд.
Использование новых информационных технологий: Работа с моделями «Другие планетные системы Транзит планеты», «Эволюция Солнечной системы».
План урока
Краткое содержание урока | Формы использования | Время, мин | Приемы и методы |
I. Актуализация нового материала | 2 | Беседа с учащимися | |
II. Изучение нового материала | Иллюстрации, модели | 25 | Объяснение учителя |
III. Выполнение тестовых заданий. Рефлексия | Иллюстрации | 17 | Ответы учащихся |
IV. Домашнее задание | 1 | Запись на доске учителя |
Конспект урока.
I. Актуализация нового материала
II. Изучение нового материала
Звёзды образуются в результате гравитационной неустойчивости в холодных и плотных молекулярных облаках. Поэтому звезды всегда рождаются группами (скоплениями, комплексами). Гигантские молекулярные облака с массами, большими 105 M¤ (их известно более 6 000), содержат 90 % всего молекулярного газа нашей Галактики. Именно с ними связаны области звёздообразования. Если бы гигантские молекулярные облака в Галактике свободно сжимались из-за гравитационной неустойчивости, то за 50 миллионов лет из них образовались бы звёзды. Сжатию способствуют ударные волны при расширении остатков вспышек сверхновых, спиральные волны плотности и звёздный ветер от горячих звёзд спектральных классов О и В. Температура вещества при переходе от молекулярных облаков к звёздам возрастает в миллионы раз, а плотность – в 1020 раз.
Стадия развития звезды, характеризующаяся сжатием и не имеющая ещё термоядерных источников энергии, называется протозвездой (греч. протос «первый»). Эволюцию протозвезды массой 1 M¤ можно разделить на три фазы: формирование протозвезды, быстрое сжатие, медленное сжатие.
Характеристика | Фаза 1 | Фаза 2 | Фаза 3 |
Размер | 1018–1015 м | 1015–1010 м | 1010–109 м |
Плотность ρ, кг/м3 | 10–19–10–16 | 10–16–1 | 1–103 |
Температура в центре, К | 10 | 10–106 | 106–107 |
Длительность, лет | 107 | 105 | 5∙107 |
Наблюдение | Радиодиапазон | Инфракрасный диапазон | Оптический диапазон |
Характеристика | Начало гравитационной неустойчивости | Быстрое сжатие, практически свободное падение вещества к центру облака | Протозвезда становится непрозрачной для собственного теплового излучения; температура и давление растут, сжатие замедляется |
Затем обсудить интерактивную модель «Эволюция Солнечной системы».
До 1990 года была известна только одна планетная система – Солнечная система. Первая планетная система была открыта в 1990 году.
Экзопланета (экстрасолнечная планета) – планета, вращающаяся вокруг иной звезды, то есть не принадлежащая Солнечной системе. |
В настоящее время планеты у других звёзд открываются буквально ежемесячно. На конец 2006 года было открыто 165 планетных систем, 195 экзопланет.
Почему трудно обнаружить планеты около других звёзд?
Обнаружить планету около другой звезды чрезвычайно трудно. Блеск планеты очень мал по сравнению с блеском звезды, сами планеты располагаются близко к звёздам и обнаружить их обычными наблюдениями практически невозможно.
Какими методами открываются планеты около других звёзд?
Спектрометрический метод. Измерение радиальной скорости звёзд (метод Доплера). С помощью данного метода обнаружены планеты с массой не меньше нескольких масс Земли, расположенные в непосредственной близости от звезды и планеты-гиганты с периодами до ~10 лет. Планета, обращаясь вокруг звезды, как бы раскачивает её, и мы можем наблюдать доплеровское смещение спектра звезды.
Рис. Спектрометрический метод. Планета, обращаясь вокруг звезды, как бы раскачивает её, и мы можем наблюдать доплеровское смещение спектра звезды
Метод спектрометрического измерения радиальной скорости звезд основан на изучении спектра звезды и анализа доплеровского смещения линий спектра. Это смещение чрезвычайно мало, но его можно измерить современными методами научных исследований. Именно этим методом и обнаружено большинство экзопланет.
Именно этим методом около красного карлика массой 0,1–0,4 Солнца в 2006 году обнаружена планета с массой примерно 3 массы Земли, движущейся по круговой орбите с радиусом 2,6 а. е.
Метод транзитной фотометрии. Изменение блеска звезды при прохождении планеты на фоне звезды.
Рис. Метод транзитной фотометрии,
связан с прохождением планеты на фоне звезды.
Замеряя блеск звезды, у которой имеются планеты, даже любители астрономии могут самостоятельно обнаружить изменения блеска при помощи CCD-камер. Конечно, для этого необходимо чтобы плоскость орбиты планеты совпадала с лучом зрения наблюдателя. Таких планет на конец 2006 года открыто 9.
Показать анимацию: «Изменение блеска звезды при прохождении экзопланеты перед звездой»
Астрометрический метод. Собственное движение звезды под гравитационным воздействием планеты изменяется.Именно этим методом в 1995 году астрономы Мишель Майор и Дидье Квелоц с помощью сверхточного спектрометра обнаружили покачивание звезды 51 Пегаса с периодом 4,23 суток. Планета, вызывающая покачивания, напоминает Юпитер, но находящийся в непосредственной близости от светила.
Показать анимацию: «Планета вызывает изменения в положении и скорости звезды».
Фотографический метод в инфракрасном диапазоне. Именно этим методом в 2004 году получили первую фотографию планеты на телескопе Very Large Telescope (VLT) Европейской южной обсерватории в Чили.
Рис. На снимке планета представляет собой розовое пятно, а местоположение звезды очерчено кружком. Планета вращается вокруг звезды, которая представляет собой молодой яркий коричневый карлик. Эта звезда, которая в каталоге именуется как 2MASSWJ 1207334-393254 (2M1207), находится на расстоянии 225 световых лет от нас в южном созвездии Гидра. Планета намного массивнее самых больших планет нашей солнечной системы: ее диаметр в 1,5 раза больше, чем у Юпитера, а масса - почти в 5 раз превышает массу Юпитера.
Рис. Экзопланета 2M1207b.
Слабый красный объект, именуемый в каталогах 2M1207b, имеет светимость в 100 раз меньше, чем белый коричневый карлик. Планета 2M1207a имеет массу примерно в пять раз больше массы Юпитера. Это изображение было получено с помощью дающей высокое разрешение системы адаптивной оптики на 8-метровом VLT - Очень большом телескопе Йепун в Чили.
За пределами Солнечной системы обнаружена планета, атмосфера которой содержит кислород, водород и углерод. Планета HD 209458b, обращающаяся вокруг желтой звезды, которая находится в 150 световых годах от Солнца в созвездии Пегаса, получила и собственное имя Осирис – по имени умирающего и воскресающего египетского бога плодородия. Атмосфера планеты была обнаружена во время затмения звезды. Планета Осирис расположена всего в 7 млн. км от звезды, в то время как от Земли до Солнца – 150 млн. км. По расчётам поверхность планеты нагрета до 1000ºС и это способствует испарению кислорода и углерода.
Планет, расположенных близко от звёзд, найдено достаточно много. Так около звезды μ Жертвенника, найдено три планеты с массами порядка массы Юпитера и периодами обращения в 637 и 1300 дней и планета, с массой порядка массы Урана, расположенная всего на расстоянии 0,09 а. е. и совершающая оборот вокруг своей звезды за 10 суток! По расчётам температура поверхности такой планеты также 1000К.
Чаще всего открывают массивные планеты размером с Юпитер. Открыты планетные системы, в которых определили несколько планет. Так представляется мир тройной звездной системы HD 188753, находящейся на расстоянии в 149 световых лет в созвездии Лебедя.
III. Выполнение тестовых заданий
Рекомендуется проводить фронтально со всем классом, иллюстрируя вопросы через проектор или на компьютере.
1. Крабовидная туманность является результатом:
1
А | Образования планетной системы |
Б | Образования белого карлика |
В | Вспышки сверхновой |
Г | Сброса оболочки красным гигантом |
Д | Подсвечивания голубым гигантом области плотного межзвездного газа |
2. Какими методами открываются планеты около других звёзд? Определите неверные способы.
А | Измерение радиальной скорости звёзд методом Доплера |
Б | Определение изменения кривой блеска звезды при фокусировке гравитационным полем |
В | Получение прямых фотографий планеты в ультрафиолетовом диапазоне |
Г | Изменение блеска звезды при прохождении планеты на фоне звезды |
Д | Определение изменения собственного движения звезды под гравитационным воздействием планеты (покачивание звезды) |
Е | Получение прямых фотографий планеты в инфракрасном диапазоне |
Ж | Определение параметров планет радиолокационными методами |
3. Определите по фотографиям места современного звёздообразования и соотнесите их с соответствующими названиями.
1 |
| А | Туманность Орёл (М 16). Здесь были найдены плотные области молекулярного водорода, которые получили название «Яйца» |
2 |
| Б | Протопланетный диск в туманности Ориона |
3 |
| В | Молекулярное облако Барнард 68 |
4 |
| Г | Гигантское молекулярное облако в созвездии Единорог |
5 |
| Д | Туманность Ориона |
6 |
| Е | Гигантское молекулярное облако в созвездии Орион |
7 |
| Ж | Туманность Конус |
8 |
| З | Туманность Южный Угольный мешок |
1 – Е
2 – В
3 – Г
4 – А
5 – Б
6 – Д
7 – З
8 – Ж
4. Планетарная туманность М 57 «Кольцо» является:
А | Областью после вспышки сверхновой звезды |
Б | Расширяющейся оболочкой звезды, сброшенной в конце эволюции |
В | Туманностью, лишняя часть которой расширяется после образования планет |
Г | Областью после вспышки новой звезды |
Д | Сжимающейся областью, в которой образуются в настоящее время планеты |
solutionDIVID = "solution1"; function checkChoicefirst(){ if (!isload) {return;} var trueAnswers=0, checkedAnswers=0, attepmtsAllow, checkedButtons=0; for(i=0; i!=document. forms["first"].length; i++){ if(document. forms["first"].elements(i).type=="radio") if(document. forms["first"].elements(i).value=="true") trueAnswers++; } for(i=0; i!=document. forms["first"].length; i++){ if(document. forms["first"].elements(i).type=="radio") if(document. forms["first"].elements(i).value=="true") if(document. forms["first"].elements(i).checked==true) checkedAnswers++; } for(i=0; i!=document. forms["first"].length; i++){ if(document. forms["first"].elements(i).type=="radio") if(document. forms["first"].elements(i).checked==true) checkedButtons++; } if(checkedButtons!= 0){ attemptsAllow = 2; addString = ""; if("6"!="") addString+="6" + "/"; if(""!="") addString+="" + "/"; if(""!="") addString+="" + "/"; if("29"!="") addString+="test" + "_" + "29" + "/"; addString+="1"; is_right = document. applets["LocalJournal"].getRightCount(addString); passes = document. applets["LocalJournal"].getPassCount(addString); if(is_right == 0){ if(passes
Top of Form
Bottom of Form
5. Огромное сжимающееся холодное газо-пылевое облако, из которого образуется звезда, называется:
А | Цефеидой |
Б | Шаровым скоплением |
В | Планетарной туманностью |
Г | Рассеянным скоплением |
Д | Протозвездой |
А | Происходит не одновременно, а с разницей во времени в миллионы и миллиарды лет |
Б | Происходит одновременно в холодных молекулярных областях и глобулах |
В | Происходит одновременно в планетарных туманностях |
solutionDIVID = "solution1"; function checkChoicefirst(){ if (!isload) {return;} var trueAnswers=0, checkedAnswers=0, attepmtsAllow, checkedButtons=0; for(i=0; i!=document. forms["first"].length; i++){ if(document. forms["first"].elements(i).type=="radio") if(document. forms["first"].elements(i).value=="true") trueAnswers++; } for(i=0; i!=document. forms["first"].length; i++){ if(document. forms["first"].elements(i).type=="radio") if(document. forms["first"].elements(i).value=="true") if(document. forms["first"].elements(i).checked==true) checkedAnswers++; } for(i=0; i!=document. forms["first"].length; i++){ if(document. forms["first"].elements(i).type=="radio") if(document. forms["first"].elements(i).checked==true) checkedButtons++; } if(checkedButtons!= 0){ attemptsAllow = 2; addString = ""; if("6"!="") addString+="6" + "/"; if(""!="") addString+="" + "/"; if(""!="") addString+="" + "/"; if("18"!="") addString+="test" + "_" + "18" + "/"; addString+="1"; is_right = document. applets["LocalJournal"].getRightCount(addString); passes = document. applets["LocalJournal"].getPassCount(addString); if(is_right == 0){ if(passes
7. Большинство открытых экзопланет имеют массу:
А | меньшую чем у Земли |
Б | меньшую чем у Юпитера |
В | большую чем у Юпитера |
Г | большую чем у Солнца |
8. Определите соответствие:
1 | Осирис | А | Самая яркая звезда на небе, находится в созвездии Б. Пес. В телескопы около Сириуса виден спутник – белый карлик. |
2 | Эрида | Б | Звезда в созвездии Кита. Долгопериодическая переменная звезда |
3 | Мира | В | Карликовая планета в Солнечной системе |
4 | Сириус | Г | Экзопланета вокруг желтой звезды, которая находится в 150 световых годах от Солнца в созвездии Пегас, на которой найдена атмосфера, содержащая кислород и углород |
5 | Альтаир | Д | Звезда a в созвездии Орла |
|
|
|
|
|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
А. Темная холодная газо-пылевая туманность «Конская Голова»
Б. Молекулярное облако Барнард 68
В. Туманность «Лагуна»
Г. Глобулы Бока
Д. Протопланетные диски в туманности Ориона
Top of Form
Bottom of Form
Ответы:
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | ||
В | В, Ж | 1 – Е 2 – В 3 – Г 4 – А 5 – Б 6 – Д 7 – З 8 – Ж | Б | Д | Б | В | 1 – Г 2 – В 3 – Б 4 – А 5 – Д | 1 – Г 2 – В 3 – Б 4 – Д 5 – А |
Вопросы
Почему планеты у других звезд стали открывать только в конце ХХ века? Какие методы открытия экзопланет вы знаете? Почему большинство открытых экзопланет больше Юпитера? Почему наличие эллиптической орбиты у экзопланеты практически уменьшает вероятность существования обитаемых планет земного типа на внутренних орбитах. В каком диапазоне длин волн наблюдается протозвезда в 1 фазе сжатия? Как была открыта атмосфера, содержащая кислород, на планете Осирис?