GROMADA GALAKTYK W KONSTELACJI COMA

• Uczniowie poznają zasady klasyfikacji galaktyk poprzez wykorzystanie rzeczywistych danych astronomicznych otrzymanych dzięki teleskopowi Hubble’a. Klasyfikacja to praktyka naukowa mająca znaczenie w wielu obszarach naukowych; poprzez upraszczanie różnorodności obiektów i dzielenie ich na mniejsze kategorie łatwiej można zauważyć jakie cechy wspólne mają dane obiekty aniżeli każdy z nich osobno.

• Uczniowie poznają „efekt zagęszczenia" a następnie pracują nad przygotowaniem hipotez na temat jego przyczyn.

• Uczniowie będą potrafili dokonać klasyfikacji rodzajów galaktyk w oparciu o zdjęcia astronomiczne.

• Uczniowie będą potrafili wyjaśnić znaczenie klasyfikowanych obiektów.

• Uczniowie będą mogli wyjaśnić dlaczego galaktyki mogą mieć różne kształty.

• Uczniowie nauczą się zadawać pytania i planować swoje badania.

• Uczniowie będą rozmawiać na temat zagadnień związanych z obecnością różnych środowisk fizycznych w kosmosie oraz na temat związku zachodzącego między środowiskiem a morfologią galaktyki (znane jest to pod nazwą „efektu zagęszczenia").

• Uczniowie będą opracowywać hipotezy na temat przyczyn zjawiska zagęszczenia.

Nauczyciel może porozmawiać z uczniami na temat odpowiedzi na zadawane pytania zachęcając ich do podzielenia się ich wyliczeniami dotyczących różnych typów galaktyk jakie znaleźli jak również ich odpowiedzi na pytanie końcowe dotyczące efektu zagęszczenia.

Zrozumienie omawianych zagadnień przez uczniów może zostać ocenione na podstawie dyskusji jak przedstawione to zostało w zadaniu oraz poprzez zebranie opisów do oceny. Zadania te mają na celu ocenę zrozumienia omawianego zagadnienia przez uczniów, nie jest konieczne przeprowadzanie innych form oceny. Sugerowany sposób oceny znajduje się poniżej.

Sugerowane oceny

• Tabela 1: 5 punktów - uczniowie udzielają klarownych wyjaśnień na temat wybranej klasyfikacji.

• Tabela 2: 2 punkty dla każdej poprawnej odpowiedzi - Odpowiedzi (E/S0/SB0 - 2, 6, 9), (S - 1, 8, 12), (SB - 3, 4, 10), (IR - 5, 7, 11).

• Tabele 3, 4 i 5 (liczenie galaktyk): brak oceny - w oparciu o subiektywny opis uczniów.

• Tabela 6 oraz Obliczenia: 30 punktów - Oceniane pod względem wykonania zadania a nie poprawności. Uczniowie otrzymają różne liczby, ale wyliczenia powinny być przeprowadzone w prawidłowy sposób. Odpowiedzi w postaci % powinny znajdować się w następujących przedziałach: (Zbiór: E 50%, L 30%, S 20%) (Obszar: E 20%, L 10%, S 70%). Uczniowie zazwyczaj znajdują większy odsetek galaktyk spiralnych w tzw. field.

Pytanie hipoteza: 30 punktów – Hipoteza postawiona przez uczniów powinna odnosić cię do skutków interakcji oraz usuwania gazu z galaktyk w sytuacji ich przemieszczania się.

• Zdjęcie 40 galaktyk.

• Karty galaktyk od A do D.

Klasyfikacja Galaktyk

Astronomowie dokonują klasyfikacji galaktyk w oparciu o ich wygląd, który podzielony jest na trzy kategorie: eliptyczny, spiralny oraz nieregularny. Edwin Hubble jako pierwszy zaproponował taki sposób kategoryzacji galaktyk. Początkowo uważał on, że zaobserwowana przez niego sekwencja oznaczała ewolucyjny postęp galaktyk. Ten sposób myślenia okazał się jednak błędny, jednak astronomowie w dalszym ciągu korzystają z tych ogólnych kategorii i nazw w celu opisania galaktyk.

Główne rodzaje galaktyk

Eliptyczne(E), Soczewkowate (S0), Soczewkowata z poprzeczką (SB0), Spiralne (S), Spiralne z poprzeczką (SB) oraz Nieregularne (IR). Dodatkowe informacje znajdują się w części poświeconej opisowi zadania.

Dodatkowy sposób kategoryzacji galaktyk

Galaktyki wchodzące w interakcje: składają się dwóch lub większej ilości galaktyk, które są blisko siebie przez co wpływają wzajemnie na swój kształt.

Dane zawarte w tym zadaniu

Dane wykorzystane w tym zadania pochodzą z informacji zebranych za pomocą teleskopu Hubble’a w odniesieniu do gromady galaktyk w konstelacji Coma. Zebrane one zostały w 2006 roku przy pomocy narzędzia Advanced Camera for Surveys (ACS) umieszczonego w teleskopie Hubble’a.

Środowiska galaktyk

Galaktyki znajdują się w całym wszechświecie i w różnych środowiskach. Galaktyki mogą znajdować się w grupach, zbiorach lub występować samodzielnie.

Grupy

Niekiedy galaktyki są znajdowane w mniejszych ilościach, które noszą nazwę grup, gdzie zaledwie kilka galaktyk jest częścią danej grupy. Grupa lokalna obejmuje galaktykę Drogi Mlecznej a jej najbliższymi sąsiadami są Obłoki Magellana oraz Galaktyka Andromedy wraz z szeregiem innych mniejszych galaktyk.

Obszar

Galaktyki mogą też być odizolowane i znajdować się daleko od siebie. Galaktyki tego rodzaju to tzw. galaktyki field.

Zbiory

Zbiór galaktyk we wszechświecie stanowi duży obszar składający się z setek lub tysięcy galaktyk, które są grawitacyjnie połączone ze sobą. Liczne galaktyki tworzące zbiór znajdują się blisko siebie, tak jak na przykład Zbiór Coma. Zbiory tworzą największe i najbardziej zagęszczone struktury we wszechświecie. Zbiory, grupy i odizolowane galaktyki mogą być one częścią większych zbiorów noszących nazwę super zbiorów; w największej skali jaka widziana jest we wszechświecie super zbiory znajdują się w obszarach otaczających olbrzymie otchłanie. Struktura tego rodzaju często nosi nazwę „sieci kosmicznej”.

Na początku uczniowie badają zdjęcia 409 galaktyk, tak aby zapoznać się ze sposobem występowania galaktyk i ich kształtem. Samodzielnie zaproponują oni klasyfikację galaktyk a następnie dowiedzą się w jaki sposób astronomowie podzielili galaktyki na cztery główne grupy.

Krok 1

Powiedz uczniom: diagram powyżej przedstawia mozaikę 40 galaktyk. Zdjęcia te wykonane zostały przy pomocy teleskopu Hubble’a i pokazują szereg różnych kształtów jakie galaktyki mogą przyjmować. Gdy Edwin Hubble po raz pierwszy zaczął badać kształt galaktyk w latach dwudziestych XX wieku opracował sposób ich kategoryzacji. Opracowany przez niego system opierał się na grupowaniu podobnych do siebie galaktyk.

Waszym zadaniem jest zrobienie dokładnie tego samego. W tabeli poniżej zaprezentuj swoje własne rodzaje galaktyk i umieść również opis rodzajów galaktyk i trzy przykłady każdej z nich.

Uzupełnij tabelę.

Krok 2

Dyskusja:

Poproś uczniów, aby zaprezentowali swoją klasyfikację pozostałym uczniom w klasie. Sugerowane elementy dyskusji to:

• Jakie są znaczące podobieństwa między zaproponowanymi kategoryzacjami?

• Znaczące różnice?

• Argumenty dotyczące sposobu klasyfikacji poszczególnych galaktyk?

• Dlaczego uczniowie zdecydowali się na zaprojektowanie danego rodzaju kategoryzacji w taki a nie inny sposób?

• Jakie są jeszcze inne sposoby kategoryzacji jakie można byłoby zastosować, np. gdyśmy mieli inne dane dotyczące tych samych galaktyk?

• Dlaczego ważne jest (lub nie), aby dokonywać klasyfikacji obiektów jakie odkrywamy?

• Czy rodzaje klasyfikacji mogą z czasem ulegać zmianom?

Punkty do dyskusji zaprezentowane powyżej mogą być wykorzystywane również na poźniejszych etapach realizacji zadania. (Można założyć, że przynajmniej kilkoro uczniów zaproponuje kategoryzację w oparciu o kształt - ale jeżeli tak się nie stanie to po przeprowadzeniu dyskusji na temat proponowanych kategoryzacji poproś ich aby zastanowili się nad innymi rodzajami kategoryzacji, które oparte są na kształcie.)

Zachęć uczniów do tego, aby dokonywali obserwacji i zadawali pytania w oparciu o nich dotychczasową analizę zdjęcia, dyskutowali na jego temat w grupie a następnie zapisali swoje wnioski. Nadrzędnym celem jest to, aby zadali oni następujące pytanie: „Dlaczego różne galaktyki mają różne kształty?” Następnie zachęć uczniów do tego, aby przedyskutowali i zapisali swoje pytania i pomysły dotyczącego przyczyn dla których galaktyki mogą mieć różne kształty—na przykład

• Czy galaktyki utworzyły różne kształty czy też utworzyły jednakowy kształt a następnie nastąpiła ich ewolucja i podział na różne kształty?

• Jaka może być historia różnych galaktyk (zwłaszcza ta dotycząca ich możliwego wpływu na ich kształt)? (daj uczniom do zrozumienia, że galaktyki mogą ze sobą wchodzić w interakcje)

• Czy ewolucja kształtu galaktyki może wynikać z wewnętrznych procesów czy też jest skutkiem procesów zewnętrznych? (np. coś, co ma miejsce w odniesieniu do galaktyk na przestrzeni czasu czy też coś, co wynika z interakcji z inną galaktyką)

• Czy kształty galaktyk mają związek z wielkością galaktyki kiedy ona powstaje?

• Czy kształty jakie obserwujemy mają charakter krótkotrwały czy długookresowy?

Gdy uczniowie zastanawiają się nad tymi pytaniami zachęć ich do przedyskutowania sposobu w jaki mogliby znaleźć odpowiedzi na postawione pytania. (Być może niektórzy uczniowie wpadną na to, że interakcje z innymi galaktykami mają duże znaczenie jak również spojrzą na regiony gdzie występuje wiele galaktyk przez co zachodzić będzie wiele interakcji, co stanowi możliwą odpowiedź na postawione pytania.

Niezależnie od tego czy wpadną oni na to czy też nie wcześniejsza dyskusja pozwoli im lepiej zrozumieć omawiane zagadnienie w trakcie realizacji zadania.)

Krok 3

Powiedz uczniom: Astronomowie stworzyli własny model klasyfikacji galaktyk, który opiera się na kształcie galaktyki (często zwanej pod nazwą „morfologia”). Definicje dotyczące głównych rodzajów galaktyk z których korzystają astronomowie podane są poniżej. Korzystając z tych definicji uporządkuj 12 podanych galaktyk według stosowanych kategorii. W tym celu uzupełnij tabelę znajdującą się w arkuszu.

Uwaga: Najmniejsze z galaktyk noszą często nazwę galaktyk karłowatych (Numer 5 i number 7 to właśnie takie galaktyki). Składają się one z zaledwie kilku miliardów gwiazd co jest niewielką liczbą w porównaniu z Drogą MlecznĄ na którą składa się 200 miliardów gwiazd. Największe galaktyki eliptyczne składają się z kilkunastu trylionów gwiazd.

Przedyskutuj: W jaki sposób klasyfikacja galaktyk jaka stosowanA jest przez astronomów może być porównana z tą przedstawioną przez uczniów w klasie?

Krok 4

Zadanie dla uczniów: Korzystając z poniższego zdjęcia i wskazówek pomóż uczniom zdecydować w jaki sposób określić i policzyć galaktyki.

Wskazówki:

• I) Galaktyki eliptyczne lub soczewkowate: są one trudne do rozróżnienia. Jeżeli wiesz, że jest to zarówno E lub S0 / SB0, możesz wówczas zgadnąć która jest która.

• II) Galaktyki eliptyczne i spiralne bez belki: są one trudne do rozróżnienia. Jeżeli wiesz, że jest to zarówno S lub SB, możesz wówczas zgadnąć która jest która.

• III) Galaktyka nieregularna.

• IV) Nieregularna: rzut boczny galaktyki, który mógłby być S0, SB0, S, SB, lub IR. Do wyboru jest zbyt wiele możliwości więc nie licz ich.

• gwiazda) dowolny obiekt posiadający wystające „fragmenty” z przedniej części w galaktyce Drogi Mlecznej tak więc nie licz ich.

• ?) Nie licz małych, słabo świecących obiektów jak te, które są zbyt trudne do sklasyfikowania.

Krok 5

Pobierz zdjęcia „Karty Galaktyk” A-Dm, aby policzyć rodzaje galaktyk jakie widoczne są na każdym ze zdjęć. Policz liczbę galaktyk każdego rodzaju morfologicznego i zapisz ich liczbę w odpowiednim miejscu w tabeli.

Krok 6

Powiedz uczniom: Galaktyki znajdują się w całym wszechświecie, są tuż obok nas — Obłoki Magellana i Andromeda — aż po te, które znajdują się na końcu widzialnego wszechświata znajdującego się 13 miliardów lat świetnych od nas. Galaktyki występują w różnego rodzaju środowiskach. Niekiedy ich znaczne ilości skupione są blisko siebie w zbiory takie jak na przykład Coma; niekiedy tworzą one mniejsze skupiska noszące nazwę grup jak na przykład Grupa Lokalna, która obejmuje Drogę Mleczną; niekiedy są one odizolowane od siebie. Poniższa tabela pokazuje różne właściwości różnych rodzajów środowisk w których występują galaktyki.

W poprzednim kroku zdjęcia A i B Kart Galaktyk pokazywały skupione centrum Zbioru Coma podczas gdy zdjęcia B i D pokazują galaktyki w tzw. field. (Uwaga: Astronomowie niekiedy korzystają z terminu „field" w celu określenia obszaru na zewnątrz zbiorów galaktyk.) Uzupełnij tabele liczbami jakie wpisałeś w tabeli podanej w kroku 5 zadania.

Zobacz tabele w arkuszu.

Krok 7

Poproś uczniów, aby zastanowili się i przedyskutowali w grupach: jakie zachowania możesz wyróżnić w oparciu o dane jakie zostały zanalizowane powyżej? Czy potrafisz powiedzieć gdzie można znaleźć różne rodzaje galaktyk? (Dodatkowa wskazówka: Czy w gęstym zbiorze widzisz więcej galaktyk spiralnych niż w tzw. „field”? Co z galaktykami spiralnymi?) Uczniowie powinni zauważyć, ze galaktyki spiralne częściej występują w tzw. „field” podczas gdy galaktyki eliptyczne są bardziej powszechne w zbiorach zagęszczonych. Pytanie dodatkowe: Czy jest to dla Ciebie niespodzianką? Celem jest tutaj to, aby uczniowie zadali pytanie: „Dlaczego liczba galaktyk spiralnych (lub galaktyk eliptycznych) uzależniona jest od tego gdzie znajduje się dana galaktyka?"

Poproś uczniów, aby przedyskutowali i zapisali pomysły dotyczące przyczyn dla których rodzaj galaktyk uzależniony wydaje się być od tego, gdzie znajduje się dana galaktyka. Zapytaj się uczniów w jaki sposób mogliby zbadać zaproponowane przez siebie rozwiązania: Czego dotyczą zaproponowane rozwiązania? Czy konieczne byłyby dalsze obserwacje i jakich dodatkowych informacji mogliby potrzebować? W jaki sposób mogliby określić dany trend przy pomocy danych?

Krok 8

Poniższe kroki stanowią wyjaśnienie tego w jaki sposób uczniowie badają omawiane zagadnienie, po pierwsze dokonując jego analizy a następnie czytając na temat sposobów powstawania galaktyk i ich ewolucji. Możesz powiedzieć uczniom co należy zrobić, dokładnie tak jak przedstawione to zostało poniżej. Jeszcze lepiej będzie jeżeli poprosisz ich o przedyskutowanie w grupach w jaki sposób

mogliby zbadać omawiane pytanie zaczynając od sposobu określenia zagadnienia a następnie samodzielnie określając proces dokonywania wyliczeń.

Przy pomocy kalkulatora oblicz odsetek każdego z typów galaktyk w zbiorze oraz w tzw. „field” (nie bierz pod uwagę IRs oraz INTs).

Przy pomocy liczb znajdujących się w tabeli powyżej oblicz odsetek i wpisz otrzymane wartości poniżej:

W zbiorze: % of galaktyk eliptycznych (e / h) = __ %

% galaktyk soczewkowatych (f / h) = __ %

% galaktyk spiralnych (g / h) = _ %

W tzw. field: % galaktyk eliptycznych (i / m) = _ %

% galaktyk soczewkowatych (j / m) = __ %

% galaktyk spiralnych (k / m) = _ %

Pytanie: Gdzie znajduje się Twoim zdaniem większy odsetek galaktyk spiralnych - w zbiorze czy w tzw. „field”? Odpowiedź: _

Powiedz uczniom: Odsetek jaki wyliczony został przez Ciebie wskazuje na to jakie rodzaje galaktyk powszechnie występują w zbiorze Coma jak również jaki rodzaj galaktyk występuje powszechnie w tzw. „field”.

Astronomowie przeprowadzili takie samo doświadczenie na setkach tysiącach galaktyk w bliskim wszechświecie i odkryli, że nastepujące odsetki są dość typowe:

• Z zbiorach zagęszczonych, 40% galaktyk to galaktyki eliptyczne, 50% to galaktyki soczewkowate i 10% to galaktyki spiralne.

• W tzw. „field” 10% to galaktyki eliptyczne, 10% to galaktyki soczewkowate i 80% to galaktyki spiralne.

Gdy galaktyki znajdują się bardzo blisko siebie są one wówczas w większym stopniu eliptyczne i soczewkowate. Gdy są one od siebie oddalone, są one w większym stopniu spiralne. Astronomowie określają to zjawisko mianem „efektu zagęszczenia”. Termin ten oznacza, że w zagęszczonych środowiskach galaktyk takich jak zbiory występują różne rodzaje galaktyk aniżeli te, które znaleźć można w obszarach otwartych jak w tzw. „field”.

Krok9

Uczniowie powinni już zadać pytanie (począwszy od Kroku 7) „Dlaczego widzimy więcej galaktyk eliptycznych i soczewkowatych w zbiorach i więcej spiralnych w tzw. „field?" (To pytanie może także mieć postać „Dlaczego możemy zaobserwować „efekt zagęszczenia?”). Powinni oni także wpaść i na to, że mogą mieć miejsce różnego rodzaju interakcje jak również i to, że większa ilość interakcji ma miejsce w gęstszych środowiskach takich jak centrum zbioru.

Poniżej znajdują się informacje, które mogą zostać wykorzystane w celu udzielenia odpowiedzi na to pytanie. Możesz poprosić uczniów o przeczytanie tekstu a następnie poprosić ich o przedyskutowanie go w grupie i napisanie wyjaśnienia omawianego efektu; możesz także w dalszym ciągu zadawać pytania uczniom i prosić ich o udzielenie odpowiedzi a następnie poprosić ich o znalezienie odpowiedzi w podręczniku / internecie zarówno samodzielnie jak i w grupach a następnie poprosić ich, aby podzielili się uzyskanymi informacjami z pozostałymi uczniami.

Wyjaśnienie:

Wiele galaktyk zawiera to co astronomowie określają jako „gaz”, co ogólnie rzecz ujmując oznacza wodór, który niekiedy zmieszany jest z innymi gazami a niekiedy jedynie z pyłem. Chmury gazu mogą spaść wskutek grawitacji, co prowadzi do tworzenia się gwiazd. Astronomowie zaobserwowali wiele galaktyk spiralnych (S oraz SB) i odkryli, że większość z galaktyk tego rodzaju zawiera duże ilości gazu i obecnie tworzą bardzo wiele nowych gwiazd. Galaktyki eliptyczne i soczewkowate (E, S0 oraz SB0) nie zawierają dużych ilości gazu przez co nie tworzą wielu nowych gwiazd.

Galaktyki, które znajdują się w niewielkiej odległości od siebie takie jak te znajdujące się z zbiorach często biorą udział w gwałtownych interakcjach jakie zachodzą między nimi. Kiedy bogata w gaz galaktyka spiralna wchodzi w interakcje z inną galaktyką to wówczas szybko zużywa większość znajdującego się tam gazu w celu stworzenia nowych gwiazd zostawiając niewiele gazu. Interakcje galaktyka-galaktyka często skutkują zamianą galaktyk bogatych w gaz w galaktyki o niewielkiej ilości gazu. Wiele galaktyk soczewkowatych to pozostałości dawnych galaktyk spiralnych, które utraciły swój gaz a wiele galaktyk eliptycznych to pozostałości kilkunastu galaktyk spiralnych, które się zderzyły.

Gromady galaktyk zazwyczaj zawierają gaz o bardzo wysokiej temperaturze, który rozprzestrzenia się w galaktykach w ramach danego zbioru. Jednak gaz o bardzo wysokiej temperaturze nie występuje w tzw. „field”. Gdy promieniowanie gorącego gazu osiągnie galaktykę spiralną, pozbawi on jej znacznie chłodniejszego gazu w ramach procesu, który nosi angielską nazwę „ram-pressure stripping." W ramach tego procesu galaktyka spiralna zawierająca gaz ulega zamianie w galaktykę soczewkowatą o niskiej zawartości gazu. Galaktyki spiralne mają problemy z przetrwaniem w środowisku silnie rozgrzanego gazu.

Jak widać galaktyki zmieniają się i ewoluują z czasem a galaktyki jakie obserwujemy w niedalekim kosmosie mają już długą historię.

Zadanie dodatkowe

Gdy uczniowie poznają już kształty galaktyk mogą oni wnieść wkład w projekt badawczy poznając program naukowy Galaxy Zoo:

http://www.space-awareness.org/pl/games/galaxy-zoo/

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Our wonderful Universe, Galaxies

National Curricula USA

Next Generation Science Standards, content Standard in 9-12 Science as Inquiry (Abilities necessary to do scientific inquiry, Unders and Content Standard in 9-12 Earth and Space Science (Origin and evolution of the universe)

National Curricula UK

GCSE, KS3 ,A level: Physics - Edexcel; OCR A; WJEC