ROIUL DE GALAXII PĂRUL (BERENICEI)

• Elevii vor învăța principiile de bază ale clasificării galaxiilor, folosind date astronomice reale oferite de telescopul spațial Hubble. Clasificarea este o activitate științifică importantă în multe domenii ale științei. Grupând obiecte diverse într-un număr mic de categorii, devine mult mai ușor să le descoperi caracteristicile comune și să studiezi aceste proprietăți la eșantioane reprezentative, iar nu individual.

• Elevii vor descoperi un „efect morfologie-densitate” și vor emite ipoteze asupra cauzelor acestui efect.

• Elevii vor fi capabili să clasifice diverse tipuri de galaxii pe baza imaginilor astronomice.

• Elevii vor explica importanța clasificării obiectelor.

• Elevii vor avansa ipoteze cu privire la cauzele formelor diferite ale galaxiilor.

• Elevii vor exersa formularea de întrebări și planificarea cercetărilor.

• Elevii vor discuta pe marginea următoarelor idei: în univers, galaxiile se regăsesc în medii foarte diferite din punct de vedere fizic; galaxiile interacționează; între mediu și morfologia galaxiilor se poate stabili o relație (denumită „efectul morfologie-densitate”).

• Elevii vor propune ipoteze legate de cauza efectului morfologie-densitate.

Profesorul ar putea discuta răspunsurile cu elevii, încurajându-i să-și facă cunoscute valorile obținute pentru fiecare tip de galaxie, atât din câmp, cât și din roi, precum și răspunsul la întrebarea finală despre efectul morfologie-densitate.

Gradul de înțelegere al elevilor poate fi evaluat prin discuții, conform instrucțiunilor pe care le găsiți de-a lungul activității, precum și notând lucrările acestora. Cum aceste activități evaluează cunoștințele elevilor, nu sunt necesare activități de evaluare suplimentare. Vă prezentăm mai jos o sugestie de notare.

Sugestie de notare

• Tabelul 1: 5 puncte – elevii oferă explicații clare în legătură cu schema de clasificare creată.

• Tabelul 2: câte două puncte - răspunsurile (E/S0/SB0 - 2, 6, 9), (S - 1, 8, 12), (SB - 3, 4, 10), (IR - 5, 7, 11).

• Tabelurile 3, 4 și 5 (numărarea galaxiilor): nu se notează – se bazează pe interpretarea subiectivă a elevilor.

• Tabelul 6 și calculele: 30 puncte – acordate pentru finalizarea activității, nu pentru acuratețe. Elevii vor primi numere diferite, însă operațiile trebuie să fie corecte. Răspunsurile legate de procentaje se încadrează, de obicei, în următoarele plaje: (roi: E 50%, L 30%, S 20%) (câmp: E 20%, L 10%, S 70%). De obicei, elevii descoperă un procent mai mare de spirale în câmp.

Întrebarea ipoteză: 30 puncte – Ipoteza elevului ar trebui să menționeze efectele interacțiunilor și stripajului determinat de presiunea de impact asupra transformării galaxiilor spirală, bogate în gaz, în galaxiile eliptice și lenticulare actuale, sărace în gaz, din roiuri.

• Imagini cu 40 de galaxii.

• Fișe cu galaxii A - D.

Clasificarea galaxiilor

În funcție de aspect, astronomii clasifică galaxiile în trei clase mari: eliptice, spirale și neregulate. Această schemă de clasificare a fost propusă de Edwin Hubble. Inițial, Hubble a propus drept mecanism de evoluție a formei galaxiilor secvența „diapazonului”. Conceptul s-a dovedit eronat, însă astronomii folosesc în continuare aceste categorii și denumiri generale pentru a descrie galaxiile.

Principalele tipuri de galaxii

Eliptice (E), lenticulare (S0), lenticulare cu bară (SB0), spirală (S), spirală cu bară (SB) și neregulate (IR). Mai multe detalii găsiți în secțiunea descriptivă a activității.

Un tip de galaxie suplimentar

Interactivă: Constă din două sau mai multe galaxii aflate atât de aproape încât își influențează reciproc forma.

Datele folosite în această activitate

Datele folosite în această activitate sunt imagini ale roiului de galaxii Părul (Berenicei), imagini preluate de telescopul spațial Hubble. Imaginile au fost preluate în 2006 cu ajutorul instrumentului Advanced Camera for Surveys (Camera avansată pentru observații) de la bordul telescopului spațial Hubble.

Mediile galactice

Galaxiile se găsesc în tot universul, într-o varietate de medii. Galaxiile se găsesc în roiuri, grupuri sau izolate.

Grupuri

Uneori, galaxiile se găsesc în număr mic, formând grupuri. Grupul Local cuprinde galaxia Calea Lactee, Norii lui Magelan și Andromeda, plus alte câteva galaxii mici.

Câmp

Alteori, galaxiile pot fi izolate, la mari distanțe una de alta. Acestea se numesc galaxii de câmp.

Roiuri

Roiurile galactice sunt structuri uriașe din univers, care constau din sute sau mii de galaxii grupate gravitațional. Mare parte a galaxiilor dintr-un roi sunt grupate strâns, ca în Roiul Părul. Roiurile reprezintă unele dintre cele mai mari și mai dense structuri din univers. Roiurile, grupurile și unele galaxii izolate pot face parte din structuri și mai mari, numite superroiuri. La cea mai mare scară din universul vizibil, superroiurile formează filamente și pereți care înconjoară zone vide imense. Această structură este adesea denumită „pânza cosmică”.

Mai întâi, elevii vor studia imaginile a 40 de galaxii, pentru a se familiariza cu modul în care apar și capătă formă diferite galaxiile. Apoi, vor propune propria schemă de clasificare a galaxiilor, urmând ca, ulterior, să descopere modul în care astronomii clasifică galaxiile (în cele patru grupe principale).

Etapa 1

Spuneți-le elevilor că imaginea de mai sus conține un mozaic de 40 de galaxii. Imaginile au fost preluate cu telescopul spațial Hubble și ilustrează varietatea de forme pe care le pot lua galaxiile. În deceniul 1920, când astronomul Edwin Hubble începea să studieze această tipologie variată de galaxii, acesta a conceput o modalitate de a le organiza și grupa pe categorii. Astfel, a creat o schemă de clasificare în care a grupat galaxiile similare la un loc.

Acum e rândul vostru să faceți la fel. În tabelul următor, inventați propriile tipuri de galaxii, descrieți fiecare tip și dați câte trei exemple pentru fiecare.

Completați tabelul de pe fișa de lucru.

Etapa 2

Discuție:

Rugați elevii să facă schimb de scheme de clasificare. Teme de discuție sugerate:

• Care sunt asemănările semnificative dintre scheme?

• Dar diferențele semnificative?

• Ce argumente au adus în privința clasificării anumitor galaxii?

• Cum și-au argumentat elevii modul de realizare a schemelor?

• Ce alte tipuri complet diferite de scheme ați putea elabora, de exemplu, dacă ați avea date diferite despre aceleași galaxii?

• De ce este important (sau nu) să clasificăm obiectele pe care le descoperim?

• Schemele de clasificare s-ar putea modifica în timp?

Aceste teme de discuție pot fi reluate pe măsură ce activitatea avansează. (Probabil că cel puțin câțiva elevi vor propune scheme de clasificare bazate pe formă. În eventualitatea în care acest lucru nu se întâmplă, după ce discutați despre schemele lor, încurajați-i să propună alte scheme bazate pe formă.)

Îndemnați-i pe elevi să facă observații și să formuleze întrebări pe baza analizei pe care au făcut-o asupra imaginii până în acest moment, discutați întrebările în grupuri, apoi notați-le. Obiectivul este de a-i determina să se întrebe de ce galaxiile au forme diferite. Apoi îndemnați-i pe elevi să discute și să noteze întrebările și ideile legate de explicația formelor diferite ale galaxiilor. De exemplu:

• Galaxiile au apărut cu forme diferite sau au avut aceeași formă inițială, după care au evoluat în forme diferite?

• Prin ce s-ar putea diferenția istoricul galaxiilor (cu precădere în privința formelor acestora)? (Îndrumați-i pe elevi către ideea interacțiunii dintre galaxii.)

• Evoluția formei galaxiilor s-ar putea datora proceselor interne sau celor externe? (Este vorba de un fenomen prin care vor trece toate galaxiile sau de un fenomen alimentat de interacțiunea cu o altă galaxie?)

• Formele ar putea fi influențate de dimensiunile galaxiei din momentul formării?

• Formele pe care le observăm sunt trecătoare sau de durată?

În timp ce elevii se gândesc la aceste idei, încurajați-i să discute despre modalitățile de analiză a răspunsurilor la aceste întrebări. (Poate că unii elevi se vor gândi la faptul că interacțiunile cu alte galaxii ar putea fi importante, iar o modalitate de a studia acest fenomen ar fi să observăm regiunile în care există multe galaxii și au loc multe interacțiuni. Indiferent dacă vin sau nu cu această idee, discuția anterioară îi va ajuta să abordeze mai bine această idee într-un stadiu ulterior al activității.)

Etapa 3

Informați-i pe elevi că astronomii au elaborat propria schemă de clasificare a galaxiilor pe baza formei acestora (denumită adesea „morfologie”). Definițiile principalelor tipuri de galaxii folosite de astronomi sunt prezentate mai jos. Cu ajutorul acestora, distribuiți cele 12 galaxii din imaginea de mai sus în categoriile frecvent utilizate. Completați tabelul de pe foaia de lucru.

Notă: Cele mai mici galaxii se numesc galaxii pitice (este cazul galaxiilor 5 și 7). Acestea conțin doar câteva miliarde de stele, un număr mic comparativ cu cele 200 de miliarde din Calea Lactee. Cele mai mari galaxii eliptice conțin câteva trilioane de stele.

Discutați: În ce măsură diferă schema de clasificare folosită de astronomi de schemele propuse de elevi?

Etapa 4

Spuneți elevilor să folosească imaginea și principiile de mai jos pentru a-i ajuta să identifice și să numere galaxiile.

Principii:

• I) Galaxiile eliptice sau lenticulare pot fi greu de distins. Dacă știți că e o galaxie de tip E sau S0 / SB0, nu este nicio problemă dacă le confundați.

• II) Galaxiile spirală sau spirală cu bară pot fi greu de distins. Dacă știți că e o galaxie de tip S sau SB, nu este nicio problemă dacă le confundați.

• III) Galaxie neregulată.

• IV) Galaxie incertă: Galaxia este văzută din profil. Ar putea fi oricare dintre S0, SB0, S, SB sau IR. Există prea multe posibilități, prin urmare nu le luați în calcul.

• Stea) Orice obiect aflat la intersecția unor „reticule” reprezintă o stea aflată în prim-planul galaxiei Calea Lactee. Nu vor fi luate în calcul.

• ?) Nu luați în calcul obiectele mici, cu luminozitatea foarte scăzută. Sunt prea dificil de clasificat.

Etapa 5

Descărcați imaginile „Fișe cu galaxii” A-D pentru a număra tipurile de galaxii din fiecare imagine. Numărați galaxiile care aparțin aceluiași tip morfologic și treceți cifra în locul său din tabel.

Etapa 6

Spuneți-le elevilor că galaxiile se găsesc în întreg universul, de la cele aflate în vecinătatea noastră – Norii lui Magelan și Andromeda — până la cele aflate la marginea universului vizibil, la 13 miliarde de ani lumină. Regăsim galaxiile într-o varietate de medii. Uneori, un număr mare de galaxii ocupă un spațiu restrâns, formând roiuri ca, de exemplu, Roiul Părul (Berenicei). Alteori, sunt grupate în număr mai mic, formând grupuri. Un astfel de exemplu este Grupul Local în care se află și Calea Lactee. Alteori, galaxiile sunt separate una de alta, în câmp. Tabelul de mai jos prezintă proprietățile aferente diverselor tipuri de medii galactice.

Fișele cu galaxii A și C de la etapa anterioară înfățișează miezul dens al Roiului Părul, iar imaginile B și D prezintă galaxiile din câmp. (N.B. Astronomii folosesc termenul „câmp” pentru a face referire la spațiul din afara roiurilor galactice.) Completați tabelele cu numerele din tabelul de la etapa 5.

Vezi tabelele din foaia de lucru.

Etapa 7

Rugați elevii să se gândească la întrebările următoare, apoi să discute pe marginea lor: „Ce tipare observați din datele analizate până acum? Observați vreo particularitate la locul în care tind să se afle diversele tipuri de galaxii?” (Întrebare-ajutor: „Observați mai multe spirale în roiul dens sau în câmp? Care este situația în cazul galaxiilor eliptice?”) Elevii ar trebui să observe că galaxiile spirală se găsesc mai des în câmp, pe când cele eliptice sunt mult mai dese în roiurile dense. Întrebare suplimentară: „Vi se pare surprinzător?” Obiectivul este de a-i determina pe elevi să se întrebe „De ce depinde numărul galaxiilor spirală (sau al celor eliptice) de locul în care se află aceasta?”

Rugați elevii să discute și să noteze idei legate de influența locului în care se află galaxia asupra tipului de galaxie. Întrebați elevii cum și-ar putea investiga ideile. Ce prognoze ar face ideile lor? Ce observații sau informații suplimentare și-ar dori să aibă? Cum ar cuantifica ei această tendință folosind datele existente?

Etapa 8

Următoarele etape explică modul în care elevii ar putea investiga această tendință, prima dată cuantificând-o, apoi citind mai multe informații despre modul în care se formează și evoluează galaxiile. Le puteți spune exact cum trebuie să procedeze. O idee mai bună ar fi să îi puneți să discute, în grupuri, despre modul în care ar putea investiga această chestiune, mai întâi pentru a cuantifica tendința, apoi pentru a determina ei înșiși procedura necesară pentru efectuarea calculelor de mai jos.

Cu ajutorul unui calculator, aflați procentele aferente fiecărui tip de galaxie din roi și câmp (ignorați-le pe cele neregulate și necunoscute).

Folosiți cifrele din tabelul de mai sus pentru a calcula procentajele, apoi completați spațiile de mai jos:

În roi:% din eliptice (e / h) = __ %

% din lenticulare (f / h) = __ %

% din spirale (g / h) = _ %

În câmp:% din eliptice (i / m) = _ %

% din lenticulare (j / m) = __ %

% din spirale (k / m) = _ %

Întrebare: Unde ați găsit un procent mai mare de spirale, în roi sau în câmp? Răspunsul: _

Spuneți-le elevilor că procentajele recent calculate indică tipurile de galaxii întâlnite frecvent în Roiul Părul și cele întâlnite frecvent în câmp.

Astronomii au realizat același experiment pe sute de mii de galaxii din universul apropiat și au descoperit că următoarele procentaje sunt relativ des întâlnite:

• În roiurile dense, 40% din galaxii sunt eliptice, 50%, lenticulare, iar 10%, spirale.

• În câmp, 10% din galaxii sunt eliptice, 10%, lenticulare, iar 80%, spirale.

Galaxiile foarte apropiate tind să fie eliptice și lenticulare. Galaxiile depărtate tind să fie spirale. Acest fenomen a fost denumit de astronomi „efectul morfologie-densitate”. Această relație s-ar traduce astfel: în grupările aglomerate de galaxii, precum roiurile, există tipuri diferite de galaxii decât în spațiile deschise, în câmp.

Etapa 9

Elevii vor fi formulat până în acest moment (începând cu etapa 7) întrebarea „De ce observăm mai multe galaxii eliptice și lenticulare în roiuri și mai multe spirale în câmp?” (Întrebarea poate fi formulată și astfel: „De ce observăm efectul morfologie-densitate?”) De asemenea, elevii se vor fi familiarizat cu ideea că la baza acestui fenomen ar putea sta interacțiunile, poate chiar și cu ideea că în medii dense, cum este centrul unui roi, are loc un număr mai mare de interacțiuni.

Mai jos vă prezentăm o serie de informații care pot fi folosite pentru a răspunde la această întrebare. Puteți pune textul la dispoziția elevilor, pentru a-l citi, urmând ca apoi să discute și să noteze explicația acestui efect. Sau îi puteți stimula pe elevi să propună explicații și să discute pe marginea lor, după care să se documenteze din manual sau de pe internet, individual sau în grup, și să prezinte apoi explicațiile în fața colegilor.

Explicație:

Multe galaxii conțin ceea ce astronomii numesc „gaz”: în cea mai mare proporție este vorba de hidrogen, combinat uneori cu alte elemente și praf. Norii de gaz se pot comprima sub acțiunea gravitației, dând naștere stelelor. Astronomii au studiat multe galaxii spirală (S și SB) și au descoperit că majoritatea acestor galaxii conțin mult gaz și formează multe stele noi. Galaxiile eliptice și lenticulare (E, S0 și SB0) sunt sărace în gaz și nu formează multe stele noi.

Galaxiile foarte apropiate una de alta, cum sunt cele din roiuri, au parte de multe interacțiuni violente. Când o galaxie bogată în gaz interacționează cu alta, are tendința să folosească rapid majoritatea gazelor sale pentru a forma stele noi, lăsând puțin gaz în urmă. Interacțiunile dintre galaxii transformă adesea galaxiile bogate în gaz în unele sărace în gaz. Multe galaxii lenticulare sunt rămășițele unor foste galaxii spirală care și-au pierdut gazul, iar multe galaxii eliptice sunt rămășițele mai multe galaxii spirală care s-au ciocnit.

De obicei, roiurile de galaxii sunt umplute cu un gaz extrem de fierbinte, care se întinde între galaxiile din roi. În câmp însă nu există gaze fierbinți. Când radiația emisă de aceste gaze fierbinți lovește o galaxie spirală, ea văduvește galaxia de gazul său, mult mai rece, într-un proces numit „stripaj determinat de presiunea de impact”. Acest proces transformă rapid o galaxie spirală, bogată în gaz, într-un lenticulară, săracă în gaz. Galaxiile spirală supraviețuiesc cu greu în mediile cu gaze supraîncălzite.

După cum vedeți, galaxiile se transformă și evoluează în timp, iar galaxiile pe care le observăm astăzi în universul apropiat există deja de foarte mult timp.

Activitate suplimentară

Odată ce elevii se informează în legătură cu forma galaxiilor, pot contribui la un proiect real de cercetare științifică, participând la programul de știință civică Galaxy Zoo: http://www.space-awareness.org/ro/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