Inleiding Astrofysica College 4 12 oktober 2015 13.45 – 15.30 Ignas Snellen
Ons Zonnestelsel
De rotsachtige planeten
De Aarde als een planeet • dubbelplaneet systeem (Aarde-Maan). • Vloeibaar water ! oceanen • Geologisch Actief ! plaattektoniek en vulkanisme • Magnetisch veld ! beschermt tegen zonnewind • Biologische activiteit heeft grote invloed op atmosfeer
Hoe oud is de aarde? Lord Kelvin (1862) mat afkoeling van klomp steen: schatting voor aarde = 200-400 miljoen jaar Ontdekking van radioactiviteit (becquerel – 1896) ! warmteproductie vertraagt afkoeling van aarde ! veel ouder Radiometrische datering (Rutherford – 1905): - sommige zware atomen kunnen spontaan vervallen, met halfwaardetijden van miljoenen-miljarden jaren. - wanneer de begin-situatie in een mineraal bekent is, werkt de atoom-verhoudingen als ouderdoms-klok.
Uranium 238 ! Lood 234
Hoe oud is de aarde? – modernste schattingen: Men neme het kristal Zirkoon (ZrSiO4): vormt bij hoge temperatuur, zonder lood, maar met Uranium. U(235) ! Pb (207): halfwaardetijd 700 miljoen jaar U(236) ! Pb (206): halfwaardetijd 4.5 miljard jaar Twee onafhankelijk klokken!
Oudste gesteenten op Aarde: 4.404 miljard jaar Meteorieten ! zonnestelsel is 4.53-4.58 miljard jaar oud
Ons Zonnestelsel
De rotsachtige planeten
Onze Maan • • • • •
Ontstaan uit een botsing van de aarde met ander object (?) Getijdewerking zorgt voor synchrone rotatie Vulkanische basaltvlaktes (maanzeeen) alleen aan voorkant Getijdewerking zorgt voor steeds langere omloopstijd. Draaiing aarde wordt afgeremd
maan Aarde
Ons Zonnestelsel
De rotsachtige planeten
Wat bepaalt de temperatuur op Aarde? Equilibrium temperatuur: Verwachte evenwichtstemperatuur van een planeet door ontvangen energie van de Zon Eontvangen = Euitgezonden Albedo, A: fractie van sterlicht dat wordt gereflecteerd (en dus niet geabsorbeerd). €
Als zonnewarmte gelijk wordt verdeeld over hele Aarde:
1/ 4 R z 1/ 2 2d
Teq = Tz (1 − A) [ ]
= 255 K ! 255 K + broeikaseffect = oppervlaktetemperatuur
Ons Zonnestelsel
De rotsachtige planeten
Hoe warm is het op de maan? • geen dampkring • warmtegeleiding nihil • Albedo van Maan is 0.07 • Maximale temperatuur als zon hoog staat • Temperatuur aan nachtkant wordt bepaald door afkoelingssnelheid van€ gesteente Maximale temperatuur: rond de evenaar, in de middag:
Teq −maan = Teq −aarde × 1.07 × 2 ≈ 390K Aan het einde van de nacht (na 13-14 aard-dagen) ! -150 celsius
Ons Zonnestelsel
De rotsachtige planeten
Mercurius • Iets groter dan onze Maan, hoge dichtheid ! grote ijzerkern • Elliptische baan ! spin-rotatie periode = 58 dagen, jaar duurt 88 dagen. Zon staat stil aan de hemel tijden perihelium ! 1 dag duurt 176 dagen! • Nachtzijde een van koudste plekken in zonnestelsel • Precessie van de baan verklaart met relativiteittheorie
Ons Zonnestelsel
De rotsachtige planeten
Venus • • • • • • •
Even groot als de Aarde Draait in 225 dagen om de zon Draait in 243 dagen om haar as, in de verkeerde richting! Atmosfeer van koolstofdioxide (96%) Dik wolkendek van zwavelzuur Atmosfeer circuleert in maar 4 dagen om de planeet. Geologisch aktief (vulkanen maar geen plaattektoniek)
Enorm broeikaseffect! Teq = 230 K (-43 Celsius) Topp= 643 K (470 Celsius)
Russische Venera
Aarde ! +30 C Venus ! +500 C
Broeikaseffect Ondoorzichtig voor infraroodstraling ! warmt op ! straalt terug naar oppervlak
Thermische straling zwartlichaam ! infrarood!
Ons zonnestelsel
De rotsachtige planeten
Mars • • • • •
Dunne atmosfeer (CO2, 1% aardse luchtdruk) Lage massa(1/10 v. Aarde), geen magnetosfeer Rode kleur door ijzeroxyde (roest) Poolkappen van waterijs en CO2-ijs Ook grote hoeveelheden waterijs in de grond
NASA
Olympus Mons – grootste vulkaan in het zonnestelsel
Valles Marineris
Geologisch bewijs voor vloeibaar water
Invloed van Jupiter
Mars Global Surveyor
Ook op aarde ! cyclische ijstijden
Klimaat van Venus en Mars belangrijk voor begrip van global warming op Aarde
Ons zonnestelsel Jupiter • • • • •
Grootste planeet van zonnestelsel 10x straal, 310x massa van Aarde Draait in 10 uur om as… Karakteristieke wolkenbanden Eeuwigdurende storm ter grootte van Aarde – Great Red Spot!
De gasreuzen
Ons zonnestelsel
De gasreuzen
Jupiter • Interne structuur, geschat uit chemische samenstelling, zwaartekrachtwerking, seismische golven • ijl ringensysteem (als alle gasreuzen)
NASA, Frederick Beuk
Ons zonnestelsel
De gasreuzen
Manen van Jupiter • Vier Galileïsche manen hebben baanresonanties en worden ‘warm’ gehouden.
Vulkanisme op Io
Oceaan onder Europa?
Ons zonnestelsel Jupiter en komeet Schoemaker-Levy 9
De gasreuzen
Ons zonnestelsel Saturnus Ringen
De gasreuzen
Saturnus 20 meter dik! Onstaan: botsing van een maantje met asteroide?
Ons zonnestelsel Saturnus
De gasreuzen
Ons zonnestelsel Saturnus Cassini
De gasreuzen
Ons zonnestelsel
De gasreuzen
Saturnus maan Titan Enige maan in ons zonnestelsel met een atmosfeer, gesluierd in wolken tot de Cassini-Huygens missie! 900 km dikke atmosfeer ! 1.5 bar aan druk aan de grond Atmosfeer van vooral stikstof (net als Aarde) Methaan-cycles als aards water-cyclus: regen, wind, duinen, rivieren, meren, cryovulkanisme(?)
Ons zonnestelsel Saturnus maan Titan
De gasreuzen
Ons zonnestelsel
De gasreuzen
Uranus en Neptunus Uranus
Neptunus
Uranus hoge obliquiteit
Eerste planeten ontdekt met de telescoop
Ons zonnestelsel de planetoidengordel
Planetoiden, kometen en dwergplaneten
Ons zonnestelsel de planetoidengordel
planetoiden, kometen en dwergplaneten
NASA Dawn mission
Ons zonnestelsel
planetoiden, kometen en dwergplaneten Aardscheerders – Near Earth Objects
Meteoriet: 17m doorsnede, 11,000 ton 550 kTon TNT ! 20-30x Hiroshima bom
Ons zonnestelsel
Planetoiden, kometen en dwergplaneten Pluto en de Kuipergordel
NASA’s New Horizon Mission naar Pluto
Ons zonnestelsel
Planetoiden, kometen en dwergplaneten Kometen en de Oortwolk
ESA’s Rosetta Missie: November 2014 ! landing op komeet Churyumov–Gerasimenko
Extrasolaire Planeten Methoden • Afstanden tot de dichtstbijzijnde sterren zijn >100,000x groter dan tot planeten in ons zonnestelsel • Stralen zelf nauwlijks licht uit ! miljoenen/miljarden keren zwakker dan moederster • Indirecte methoden leveren eerste bewijzen voor exoplaneten (1992-1995)
Extrasolaire Planeten Methoden
Vster M plan = V plan M ster
Radiele snelheidsmethode: ster en planeet draaien om gemeenschappelijke zwaartepunt. De verandering in de radiele component van de snelheid van de ster kan worden gemeten dmv het Doppler effect. €
2π × 150 × 10 6 km Vaarde = = 30km /s Zon is 333.000x zwaarder ! 9 cm/s 365 × 86400s V jup = 13km /s Zon is 1.000x zwaarder ! 13 m/s
Extrasolaire Planeten Methoden Astrometrie: ster en planeet draaien om gemeenschappelijke zwaartepunt. De schommeling aan de hemel van de ster kan worden waargenomen dmv astrometrie. Methode is nog niet erg succesvol.
ESA missie GAIA: 3D kaart van de melkweg
Beweging van de zon rond het zwaartepunt van het zonnestelsel ! 1/1000ste boogseconde op 10 parsec
Extrasolaire Planeten Methoden Timing (Pulsars): ster en planeet draaien om een gemeenschappelijk zwaartepunt. Een pulsar is een aparte ster die als een klok werkt (zie later in college). Doordat de pulsar dichterbij en verder weg staat loopt die klok regelmatig voor en achter in tijd.
De eerste exoplaneten zijn op deze manier gevonden
Extrasolaire Planeten Methoden Transit methode: als de orientatie van de planeetbaan precies goed is zien we de planeet voor de ster langs schuiven !een planeetovergang (Engels: transit)
R planeet 2 ΔF = 2 Rster
€
Extrasolaire Planeten Methoden Duizenden planeetovergangen ontdekt met satellieten French/ESA CoRoT Missie
NASA Kepler missie
Kepler-11 ! 5 planeten, waarvan 5 binnen de baan van Mercurius!
Combinatie van transit methode en Doppler methode geeft grootte en massa van een planeet ! gemiddelde dichtheid (rotsachtig of gas-achtig?)
Extrasolaire Planeten Methoden Direct Imaging: het direct waarnemen van een exoplaneet dmv heel scherpe fotos. Adaptieve optiek + coronograaf (licht van de ster wordt zoveel mogelijk verduisterd). Werkt vooral goed bij jonge planeetsystemen die nog warm zijn van formatie
Extrasolaire Planeten statistiek Exoplaneet statistieken: Hoe bijzonder is ons zonnestelsel?
! >1 op 10 sterren heeft een gasreus zoals Jupiter. ! >1 op 3 sterren heeft een planeet zoals Neptunus ! meeste sterren hebben rotsachtige planeten. Exacte kopie van ons zonnestelsel is waarschijnlijk wel zeldzaam
Extrasolaire Planeten Methoden Zoektocht naar buitenaards leven ① Gassen waargenomen zoals water, koolstofmonoxide ② Warmteverdeling op planeten ③ Wind-systemen ④ rotatie
Extrasolaire Planeten Zoektocht naar buitenaards leven Samenstelling van Aardse atmosfeer verraadt biologische aktiviteit. Kunnen we dit in de toekomst ook op exoplaneten waarnemen?
Samenvatting – College 4 • Behandelde onderwerpen: - Mars, water, marsklimaat, Jupiter, Europa, Saturnus, ringen, titan, Uranus, Neptunus, planetoidengordel, kometen, Pluto en de Kuipergordel, de Oortwolk, aardscheerders, exoplaneten, de Doppler methode, transit-methode, astrometrie, pulsar timing, astrometrie, direct imaging, exoplaneten statistiek, exoplaneet-atmosferen, zoektocht naar buitenaards leven.
• Vraagstukken die je nu zou moeten kunnen behandelen: - Waar worden openingen (gaps) in de Saturnusringen door veroorzaakt? - Wat is de ‘Great Red Spot’ op Jupiter? - Wat is er interessant aan de Jupitermaan Europa? - Wat is er interessant aan Saturnusmaan Titan? - Hoe werkt de radiele snelheidsmethode (Doppler methode)? - Hoe werkt de transitmethode? - Bereken met transit-methode de grootte van de planeet. - Hoe zou je buitenaards leven kunnen herkennen op een exoplaneet?
