Astrofizik

GENEL BAKIŞ

Astronomi

Evrenin tekliği hakkında bildiklerimiz üzerine araştırmalar.
ıncelenecek bazı baslıklar:
ön yıldız (Ata yıldız) & normal yıldızlar
Galaksiler & Kuazarlar
Baska Dünya'larda yaşam olasılıkları
Beyaz cüceler, nötron yıldızları & kara delikler
Evreni yöneten güçler ve bu güçlerin kaynakları


Bazı Temel Sorular
Doğa ve evreni yöneten temel yasalar nelerdir?
Evrende bulunan herşey nasıl ortaya çıktı?
Evreni yöneten güçler nelerdir?


Ders'in ana hedefleri
Astronomi'yi ögrenmek
Bilimsel yöntemin anlaşılması ve uygulanması
Kritik düşünebilmenin uygulaması
Fizik öğrenmek
Kendimiz ve gezegenimiz Dünya hakkında perspektif kazanmak


Bilimsel Düşünebilme
Soru sormak: Nasil, nereye, nicin, ...
Objektif olma
çıkarımları kullanarak karar verebilmek
Anlamlı hesaplamalar yapabilme


Dersin Filozofisi
Astronomiyi öğrenmek fakat sadece astronomi hakkında öğrenmek degil.
"Bana anlat fakat unutabilirim; bana göster fakat belki hatırlayabilirim; beni derinliklerine götür o zaman anlayabilirim."
- çin Atasötü


Uzayda Gezinti
Işığın hızı= 186,000 mil/sn = 300,000 km/sn
Işığın hızı temel hız limitidir.
Bize bilgi taşınmasındaki en hızlı yoldur.


Işığın ulaşma zamanı
Yer-Ay: 1 saniye
Güneş-Yer: 8 dakika
Güneş-Pluto: 6.5 saat
Güneş-Alpha Centauri: 4.3 yıl
Güneş-Galaktik merkez: 35,000 yıl
Güneş-Andromeda Galaksisi: 2,200,000 yıl


Işık Yılı
Bir ışık yılı, ışığın bir yılda katettiği uzaklıktır.
Bir ışık yılı (IY) = 9.3x1012 km
Bir ışık yılı ne kadar uzaklığa karsılık gelmektedir?
65 mph hızıyla haraket edilmesi halinde 1 Iy yol katetmek icin 10 milyon yılın geçmesi gerekiyor.
Bu hızla Alpha Centauri yıldızına gidebilmek icin 44 milyon yılın geçmesi gerekmektedir.


Bilimsel Gösterim
Bilimsel gösterimler çok küçük ve çok büyük sayıları gösterebilmek için kullanılır.

Bilimsel gösterim için örnekler 0.001 = 10-3
0.005 = 5x10-3

0.1 = 10-1
0.5 = 5x10-1

1.0 = 100
5.0 = 5x100

100 = 102
500.0 = 5x102

---> Astrofizik

Evrende bulunan cisimler
Gezegenler (ve biz!)
"Yıdızlar"
Ata yıldızlar, Normal yıldızlar, Kırmızı devler, Beyaz cüceler, Kara delikler
Yıldızlararası bulutlar (gaz ve toz)
"Galaksiler"
Normal, Radyo, Aktif Galaksiler
Kuazarlar ve Aşırı Parlak Galaksiler


BAKIŞ AÇILARI

Dersin Amacı
Temel fiziksel parametrelerin neler olduğuna bir bakış:
Ne kadar büyük, ne kadar uzun, ne kadar hızlı, ne kadar yoğun, vd. ...
Terminoloji ve bu dilin öğrenilmesi.
Ancak bundan sonra astronomik bilgilerin anlaşılabilmesi mümkün olabilecektir.


Temel Birimler
Bütün fiziksel büyüklüklerin birimi vardır. Bunlardan kullandığımız dört temel birim:

ZAMAN: saniye, saat, yıl, ...
UZAKLIK: cm, m, ışık yılı, ...
KÜTLE: gm, kg, ...
SICAKLIK: Santigrad, Kelvin


Örnekler
Zaman
1 yıl = 3.15x107sn
~2.5x109 sn bir ömür boyu
Uzaklık/Büyüklük
BaŞ Parmak: 2 cm = 0.02 m
Kum tanesi: 1 mm = 10-3 m
Atom: 10-10 m (1 A = 1 Angstrom)
Çekirdek: 10-15 m (1 Fermi)
Yer'in Çapı: 12,800 km


Astronomik Uzaklıklar
Astronomi Birimi (AB) = Yer-Güneş uzaklığı = 1.5x1011 m
Işık yılı (Iy) = 63240 AB = 9.5x1015 m
Parsek (pc) = 206265 AB = 3.1x1016 m = 3.26 Iy


Kütle
Bir cisimdeki maddenin miktarının bir olÇüsü -- Ağırlık Değil!
Bir cismin kütlesi Yer'de veya uzayda değişmez fakat o cismin ağırlığı Çekim gücüne bağlıdır.
Örnekler: Ağırlık'a karşılık Kütle Konum Kütle Ağırlık AÇıklama
Dünya 70 kg
154 lbs
kişinin boyutu

Ay 70 kg
26 lbs
1/6 Yer'deki Çekim gücü

Jüpiter 70 kg
391 lbs
katı yüzey yok

Güneş 70 kg
2.1 ton
katı yüzey yok

Beyaz Cüce 70 kg
25,300 ton
Ê



Bu durumda
Kütle bir cismin Çekimden bağımsız olarak karakterize edilmesini sağlar.
Ağırlık ise bir cismin ivmeye karşı koyma kuvvetidir.
Bir cismin ne şiddetde hareket etmesini sağlamada yada yönünü değiştirmesini sağlaması.

---> Astrofizik

Sıcaklık
Bir cismin iÇsel hareketini karakterize eder.
Örneğin: Bir kutudaki hava'nın
ParÇacıklar (moleküller) sıcaklık arttikÇa daha hızla hareket ederler.
Sıcaklığın bir alt limiti vardir ki bu limite Mutlak Sıfır adı verilir.
Sıcaklık Skalası
Celsius (Santigrad)
0 C = Suyun donma noktası
100 C = Suyun buharlaşma noktası
Kelvin
0 K = Mutlak Sıfır (-273.2 C)
K = C + 273
Fahrenheit: C = (5/9)*(F - 32)
Örnek Sıcaklıklar Cisim K
C
F

Ithaca-Temmuz 308
35
95

Ithaca-Şubat 250
-23
-10

Güneş (yüzeyi) 5800
5527
9981

Pluto 43
-230
-382





Hesaplanan Birimler
Temel birimlerin bileşimlerinden ortaya Çıkarlar.
Birşeyler hakkında daha basit konuşabilme amacıyle kullanılır.
Bunlardan bazıları:
hiz, ivme, aÇılar ve yoğunluk
kuvvet, basınÇ, enerji ve güÇ
ıŞınım gücü'dür


Hız ve ıvme örnekleri
Hız
Yürüme: 3-5 mph = 1.3-2.2 m/sn
KoŞma: 25 mph = 11 m/sn
Yer'in Güneş etrafındaki hızı: Ê 30 km/sn
ıvme
örn: 0 ile 60 mph arasında 10 saniyede ulaşmak iÇin => 2.7 m/sn2
Örn: Yer Çekimi bir cismi 9.8 m/sn2 ölÇüsünde ivmelendirir.


Açısal Büyüklük ve Yoğunluk örnekleri
AÇısal büyüklük
Ay & Güneş: 30 yay dakikası
Jüpiter: 30 ile 49 yay saniyesi
Pluto: ~ 0.1 yay saniyesi
Göz'ün ayırma gücü: ~1 yay dakikası


Yoğunluk: kütle/hacim (g/cm3)
birim hacimdeki kütlenin (yada parçacık sayısının) bir ölçüsüdür.
Yoğunluk Örnekleri

Materyal Kütle Yoğunluğu
(g/cm3) Parçacık Yoğunluğu
(parçacık/cm3)
Su
1
3.7x1022

Hava
1.3x10-3
3x1019

Kurşun
11.3
3.3x1022

Altın
19.3
5.9x1022

---> Astrofizik

Yoğunluk ve Kütle
kütle = yoğunluk x hacim
örnekler
3.8 litre Suyun: Ê Ê
kütle= 3.8 kg => 8.4 lbs
3 x 4 x 8 inch (96 in3) altın kalıbı 30 kg


Kuvvet: F = m*a yada a = F/m
Kuvvet bir cismin hızını değiŞtirebilme yetisine sahiptir (hem hız olarak hemde yön olarak).
1 dyne = g-cm/s2
1 Newton = kg-m/s2 = 105 dyn = 0.2248 lb
Isaac Newton anısına adlandırılmıştır.
Kuvvetler ivmeye neden olurlar.
Kuvvet'e örnekler
Sürtünme (Elektromanyetik güç)
Çekimsel
Yer'in çekim gücü: 980 g-cm/sn2
GENEL BAKIŞ

Dersin Amacı
Çok yönlü tartışmayı öğrenmek
Basınç, Enerji, Güç, Işınımgücü
Maddenin özelliklerinin tartışılması
Atomlar, İzotoplar ve Moleküller
Doğanın güçleri
Çekimsel, E-M, Güçlü ve Zayıf
Bilimsel Yöntem


Basınç: güç/alan
1 Pa = kg/(m*sn2) = N / m2 (Blaise Pascal'ın anısına)

1 atmosfer = 14.7 lb/in2
= ~100 kPa
= 1 bar = 760 mm Hg (Hg Cıva
elementinin kimyasal gösterimidir) =
29.92 inç Hg


Basınç Örnekleri
50,000 Pa: 50 kg ağırlığındaki bir kişinin normal ayakkabı ile yüzeye yaptığı basınç

5x106 Pa: 50 kg ağırlığındaki bir kişinin yüksek topuklu olması durumunda

5x106 Pa: 5 ton ağırlığındaki bir kamyonun yol'a yaptığı basınç




Enerji: kuvvet*yol
İş yapabilme yeteneği.
Kinetik: Hareket enerjisi (KE)
Potansiyel: Saklı (Gizli) enerji (PE)
Enerji birimleri
1 Joul (J) = N-m (James Joule'ın anısına)
1 erg = dyn-cm = 10-7 J
1 kalori = 4.186 J
1 kilokalori = 1 Kalori
Enerji Örnekleri
8.4x106 J = 2000 Kalori = Vücudumuzun bir günde harcadığı enerji
330,000 J = 1.136 litre suyu buharlaştırır
330,000 J = 60 W'lık bir lambayı 1.5 saat süresince yakabilmektedir
400,000 J = 60 mph hızındaki 1 ton ağırlığındaki bir arabanın enerjisi
Başka Enerji Örnekleri
1 erg = Yer'e düşen bir kar tanesinin enerjisi.
1000 J = Bir futbol maçında ortaya çıkan enerji
4x109 J = 1 ton TNT
1015 J = Nükleer patlama (250 kiloton TNT)
1025 J = Güneş Patlaması

---> Astrofizik

Güç: enerji/zaman
Enerjinin kullanılma oranı (yada iş yapabilme yeteneği).
Watt (W) = 1 Joul/sn = 107 erg/sn
Örnekler
1 kW/m2 = Yer'e çarpan Güneş gücü
100 W = Vücudumuzun ihtiyaç duyduğu enerji miktarı
100 W ampül- sadece gücün 1/5'i ışık üretimi için hacanmakta geriye kalan enerji ampül'ün ısınması için harcanmaktadır




Işınımgücü
Işınımgücü bir cisim tarafından salınan güçtür (enerji/sn).
Bir cisim tarafından sürekli bir şekilde yayınlanan toplam enerji:
Toplam Enerji= Işınımgücü x Ömür süresi
Degişik Cisimlerin Enerjileri
Cisim
Işınımgücü
(Watt)
Toplam ömrü boyunca
Enerji Çıkışı
(Joul)

Nükleer bomba
1021
1015

Güneş Patlaması
1023
1025

Yıldız
1026
1044

Süpernova
1037
1044

Samanyolu
1037
1055



Hesaplamalarda kullanılan birimler
Daima birimleri kullanın.
birim kullanılmaması durumunda cevabın ne olduğu anlasılamaz.
Bir cevaptan süpheleniyorsanız:
Birimleri doğrumu?
Cevap icin hangi ölçüde bir büyüklüğün olmasını bekliyorsunuz?
gibi soruları kendinize sormanız gerekiyor.





Birim Kısaltmaları
Birimin Adı Sembol Faktör
Uzunluk
Örnek (metre)

Giga
G
109
109

Mega
M
106
106

kilo
k
103
103

centi
c
10-2
10-2

milli
m
10-3
10-3

micro
m
10-6
10-6

---> Astrofizik

Atomlar
Atom => "indivisible"
Madde atomlardan oluşmaktadır.
Sabit hareketli çok küçük parçacıklar.
Bir parmağınızda yaklaşık 1024 atom bulunmaktadır

Farklı atomlar => farklı elementleri oluşturur




Bir Atom'un Basit Görünüşü




Basit Atomlar


Hidrojen: En basit ve en bol bulunan atomdur

Helyum: Bir sonraki en bol bulunan elementtir





Atomların Bazı Özellikleri
Atomlar içsel olarak nötr (yüksüz) haldedirler
# protonlar = # elektronlar
Atomlar küçük ve çoğunlukla boşluktan oluşurlar.
Çekirdeğin boyutu= 10-15 m
Atomun boyutu= 1 x 10-10 to 2 x 10-10 m
Eger çekirdek 1 mm olsaydı elektronlar 100 m'den daha uzakta yer alacaktı!
Atomlarla ilgili başka örnekler
Karbon - yaşam için önemlidir
6 p+, 6 n, 6 e-
Demir- en kalıcı elementtir
26 p+, 30 n, 26 e-
Uranyum
92 p+, 146 n, 92 e-
Doğal olarak oluşan en ağir elementtir.
Radyoaktif'tir - kararsızdır
İzotoplar
Bir elementin izotopu, aynı sayıda proton'a fakat farklı sayıda nötron'a saptir.
Örneğin:
U-238: 92 p+, 146 n, 92 e-
U-235: 92 p+, 143 n, 92 e-




Moleküller
Kimyasal olarak birleşmiş atomlardır.
Örneğin-
Su: H2O
2 Hidrojen atomu ile 1 Oksijen atomu
Elektronlar H-atomaları ile O-atomları arasında ortak kullanılır yani paylaşılır.




Doğal Güçler


Sayı
Güç
Göreli Þiddeti

1.
Nukleer
1

2.
Elektromanyetik
1/137

3.
Zayıf
10-13

4.
Çekimsel
10-39







Çekim
Fazla kütle => daha güçlü etkilenme
Newton - 1667


F = Etkileme gücü (Newton)

G = 6.67 x 10-11 m3kg-1sn-2

m1 , m2 = kütleler (kg)

d = cisimler arasındaki mesafe (m)




Çekim Gücü ile ilgili Örnekler
Cisim
Kütle (Dünya=1)
Çap (Dünya=1)
Çekim (Dünya=1)

Ay
0.0123
0.27
0.17

Venüs
0.81
0.95
0.91

Mars
0.11
0.53
0.38

Jüpiter
317
11.2
2.54

Güneş
333,000
109
27.9







Einstein ve Newton
Newton'un yasaları gezegenlerin hareketlerini açıklar.
Fakat yeterli değildir
Einstein - 1916
Genel Göreliliği Formüle etmiştir
Newton'un yasalarını düzeltmiştir
Karadelikler ve Kozmoloji için duyarlı bilgilere ihtiyaç vardır.




Bilimsel Yöntem
Einstein'in Newton'un yasalarını düzeltmesi bilimsel yöntem için mükemmel bir örnektir.
Adımlar:
Gözlemler
Hipotez
Denetleme
"Yasa"
Bilginin Gelişmesi
Einstein'in Newton'un yasalarına yaptığı degişiklikler bilimsel bilginin hipotezler ve testler ile nasıl geliştigini göstermektedir.
"Yasalar" doğrudur..... aksi ispatlana kadar!

Bu bir hastalık değildir. Sadece daha doğru yasaların bulunmasına ihityacımız vardır.
Örnek: değiştirilen bir "yasa"

---> Astrofizik

Newton
Bir cismin kütlesi sabittir
Einstein
Kütle hız arttıkça artar

Daha sonra burada özel görelilik tartışılacaktır.
Işınımın Türü
Yaklaşık Dalgaboyu

Angström
Mikron

Gamma ışınları
0.01
10-6

X-ışınları
1
10-4

Moröte
1000
0.1

Görünür bölge
5000
0.5

Kırmızıöte
1 x 105
100

Mikrodalga
1 x 106
103

Radar
1 x 107
104

Radyo
1 x 109
106






Neden bu tür bir isimlendirme yapıldı?

Uyumluluk (ve tarihsel)
Farklı enerjilere sahip fotonlar gellikle farklı türden aletler yardımıyla algılanabilmektedir.
gözümüz görsel ışığı algılayabilmektedir.
radyolar radyo dalgalarını algılayabilmektedirler.




Işık ve Enerji
Parçacıkların enerji taşıması gibi fotonlarda enerji taşırlar
Herbir dalgaboyuna karşılık gelen bir enerji mevcuttur


Uzun dalgaboyları daha az enerji taşırlar
(Radyo dalgaları)
Kısa dalgaboyları daha fazla enerji taşırlar
(X-ışınları)
Bu nedenle morötesi ışınlar güneş yanıklarına ve kansere yol açarlar.




Atmosferik Pencereler
Atmosferimiz sadece belirli dalgaboylarının geçmesine izin verir.
Görünür bölge: 3500 - 10000 A
Radyo bölge: 1 mm - 100 m

Bu nedenden dolayı astronomların gözlemevlerinin uzayda olmasını tercih etmelerinin nedenini teşkil eder.

Ozon Deliği
Ozon, Güneş'ten gelen morötesi (UV) ışınlarını engellemektedir.
Ozon katmanındaki bir bozulma sadece insanlar için değil, aynı zamanda bitkiler ve hayvanlarıda etkileyecektir.
Bir şansımız olabilirmi?