Kosmische raadselen Edwin Mathlener
! Laatste les Cursus Sterrenkunde
Sonnenborgh – Museum & Sterrenwacht
29 april 2015
Kosmische raadselen • • • • • • • • • • • • • •
Werking sterrenschijf
Kun je het verschil zien tussen sterren en planeten?
Gasreuzen deel 2: Planeetringen
Aantal exoplaneten in ons melkwegstelsel?
Sterren - een terugblik
Witte dwerg - Supernova - Neutronenster
Zwart gat
Massa heelal?
Donkere materie en donkere energie
Inflatie
Wat was er voor de oerknal?
Kan de tijd natuurkundig anders zijn als je in het universum bent?
Klopt onze aardse natuurkunde wel in het verre heelal?
Hoe verder met de hobby?
Werking sterrenschijf • Heeft een datumring en een tijdring
• Zoek de datum van vandaag en draai de actuele tijd tegenover die datum
• Het heldere venster toont nu de actuele sterrenhemel
• Kijk je naar het zuiden, draai de kaart dan zo dat het zuiden op de kaart onderop is en kijk alleen naar het onderste stukje van de kaart tot aan het midden. Dat is de gehele zuidelijke hemel van horizon tot zenit.
• Idem voor andere windrichtingen
Kun je het verschil zien tussen sterren en planeten? • Sterren fonkelen/twinkelen en planeten meestal niet
• Komt door de turbulentie in de atmosfeer
• Licht van puntvormig sterbeeldje wordt makkelijk verbogen
• Met schijfvormig planeetbeeldje is dat lastiger – strikt genomen schieten 'pixels' van zo'n beeld ook alle kanten op, maar blijven statistisch gezien min of meer binnen begrenzing van het schijfje. Dit blijft er daardoor voor het blote oog strak uitzien.
• In een telescoop ziet een planeet er echter niet uit als de sterren erg twinkelen!
• Vakterm: scintillatie
Gemaakt op Sonnenborgh
Afstand tot de zon: 9,5 AE Een jaar duurt: 29,46 jaar ! Diameter: 119 duizend km Een dag duurt: 10 uur 39 minuten ! Massa: 95 x Aardmassa ! Aantal manen: 56 (>10 km: 21) (en het worden er steeds meer)
Saturnus
Poollicht ● Afplatting ●
Saturnus
●
Op-1-na grootste maan in Zonnestelsel
! ●
Stabiele atmosfeer (95% stikstof, -180oC; lijkt op oeratmosfeer Aarde;)
! ●
Methaanmeren
! ●
Draait retrograad om Saturnus
14-1-2005 Huygens land op Titan
●
Alle vier gasplaneten hebben ringen
! ●
Ze bestaan uit ijs, stof en stenen ◦ Van manen losgekomen na meteorietinslag ◦ Ingevangen interplanetair stof ◦ Van een maan die kapot getrokken is
! ●
Draait om equatoriaal vlak à platte schijf
! ●
Bestaan tijdelijk (circa 50 miljoen jaar) ◦ Of ze worden steeds aangevuld ◦ Of ze zijn recent ontstaan
De ringen
●
●
Binnen de Rochelimiet zijn de getijdenkrachten sterk genoeg om objecten uit elkaar te trekken getijdenkrachten groter dan zwaartekracht die object bijeen houdt
! ! ! !
Rochelimiet
●
De komeet Shoemaker-Levy 9 had een vervallende baan om Jupiter en kwam in juli 1992 binnen zijn Rochelimiet, waar de komeet in een aantal kleinere fragmenten opbrak, die vervolgens in 1994 op de planeet neerstortten.
! ●
Alle ringen van planeten bevinden zich binnen hun Rochelimiet. Grote manen liggen erbuiten.
! ●
Rochelimiet Aarde-Maan = 9,495,665m
Rochelimiet (2)
Schumacher-Levy 9
19 juli 2009 – nieuwe inslag
●
Voyager 1,
4 maart 1979
De ringen van Jupiter Ringen van Jupiter
●
6 maart 2008 • Saturnusmaan Rhea heeft eigen stofring
Een internationaal onderzoeksteam heeft met behulp van instrumenten aan boord van de ruimtesonde Cassini aanwijzingen gevonden dat zich in een baan om de Saturnusmaan Rhea stof en gruis heeft verzameld. Anders gezegd: Rhea lijkt een stofring te hebben - een miniatuurversie van het grote ringenstelsel van Saturnus (Science, 7 maart). Het is nog niet gelukt om de ring van Rhea met de camera van Cassini vast te leggen. Het betreft een indirecte waarneming, waarbij een detector van de ruimtesonde de verdeling van elektronen in de omgeving van Rhea in kaart heeft gebracht. Elektronen volgen de magnetische veldlijnen in het Saturnusstelsel en zijn doorgaans gelijkmatig verdeeld. Maar waar de elektronen onderweg op materie stuiten - een maan of een stofwolk worden ze geabsorbeerd en zijn dus minder van deze deeltjes te zien. Toen Cassini de omgeving van Rhea onder de loep nam, bleek de elektronendichtheid daar duidelijk geringer te zijn. Tegelijkertijd liet de stofdetector van de ruimtesonde een duidelijke toename van de hoeveelheid stof zien. Uit berekeningen achteraf blijkt dat er om Rhea inderdaad stabiele banen mogelijk zijn waarin zich in de loop van de tijd stofdeeltjes kunnen verzamelen.
Maan met ringen
Ringen van Uranus (10-3-1977)
Ringen van Uranus (10-3-1977)
●
De heldere epsilon-ring van de planeet Uranus wordt 'in bedwang' gehouden door twee kleine herdersmaantjes. Zonder deze maantjes, die inmiddels Cordelia (1986U7) en Ophelia (1986U8) zijn gedoopt, zou de ringstructuur al snel uiteenvallen.
Ringen van Uranus
●
●
Met de Hubble telescoop in 2005 vond men een tweede stel ringen. (2x zo ver weg) De Uranus’ ringen bestaan uit donkere rotsachtige stof. Een deel is gevormd door een inslag van een meteoriet.
Ringen van Uranus
Ringen van Neptunus
Exoplaneten • Er zijn 200 miljard sterren in ons melkwegstelsel. Rond onze zon draaien tal van planeten. Heeft iedere ster planeten? Zo ja, hoeveel planeten kent ons melkweg stelsel?
• Antwoord: waarschijnlijk heeft bijna iedere ster in ons melkwegstelsel één of meer planeten. Het aantal exoplaneten wordt dan ook geschat in de vele honderden miljarden. Dit wordt gebaseerd op metingen van de Kepler-satelliet.
Sterren - een terugblik • Sterren zijn zonnen - de zon is een ster
• Sterren staan zeer ver weg en lijken daardoor maar puntjes
• Er zijn zeer veel verschillende soorten sterren maar deze zijn verbonden door de gemeenschappelijke evolutie-scenario’s:
de geboortemassa van een ster bepaalt zijn levensloop!
Sterren - een terugblik • Sterren zijn zonnen - de zon is een ster
• Sterren staan zeer ver weg en lijken daardoor maar puntjes
• Er zijn zeer veel verschillende soorten sterren maar deze zijn verbonden door de gemeenschappelijke evolutie-scenario’s:
de geboortemassa van een ster bepaalt zijn levensloop!
Orionnevel
Proplyds
Herbig-Haro objecten
HH 901 and HH 902 in Carina-nevel
a) donkere wolk
b) gravitationele collaps
c) protoster bipolaire uitstroom
omhulling
schijf
dichte kern ⇤ 200.000 AE ⇥
d) T Tauri-ster bipolaire uitstroom
centrale ster 100.000 tot ⇥ 3.000.000 jaar
⇤ 10.000 AE ⇥
e) pre-hoofdreeksster
100 AE
⇤
500 AE
100 AE
10.000 tot 100.000 jaar
centrale ster
3.000.000 tot 50.000.000 jaar ⇤
⇥
f) jong stersysteem
planetaire puinschijf
protoplanetaire schijf
⇤
tijd = 0
⇥
⇤
50 AE
planetenstelsel na ⇥ 50.000.000 jaar
NGC 346 in Grote Magelhaense Wolk
Lichte en zware sterren • ‘Licht’ tot ca. 8 zonsmassa
• Blaast buitenlagen geleidelijk weg:
planetaire nevel
• Verrijkt interstallair gas met C, N, O
• Kern blijft achter als witte dwerg (lichter dan 1,4 zonsmassa)
• ‘Zwaar’ boven 8 zonsmassa
• Eindigt als supernova!
Waterstof
!
Helium
!
Zuurstof, koolstof, stikstof
Rode reus:
He-fusie in kern
Asymptotische reus (AGB-ster): He-fusie in schil om koolstof kern
Lichtkracht
AG B
Helixnevel
Katteoognevel (NGC 6543)
Vlindernevel (M2-9)
Witte dwerg • Compacte ster:
typisch ~ diameter aarde, ~ 1 zonsmassa
• Gedegenereerde (ontaarde) materie
• Snelbewegende elektronen leveren tegendruk tegen zwaartekracht
• Chandrasekhar limiet: 1,4 zonsmassa
Supernova Type Ia Witte dwerg die te zwaar wordt explodeert als super kernbom
Tycho, 1572
Chandra en Spitzer
Hubble, WFPC2
Supernova II (Ib, Ic) • Vormt neutronenster of zwart gat
• Weggeblazen buitenlagen rijk aan zware elementen
• Nog zwaardere elementen worden gevormd
tijdens explosie door invang van neutronen
• Alle zwaardere elementen zijn ooit gevormd in sterren
• Wij bestaan uit sterrenstof!
SN 1987A
2004
Neutronenster • Bol neutronen met een doorsnede van ca. 20 km en een massa van 1 à 2 zonsmassa’s
• Bijeengehouden door kernkrachten: feitelijk één reusachtige atoomkern
• Wordt de ster te zwaar, dan kunnen ook de kernkrachten de zwaartekracht niet weerstaan (vgl. Chandrasekhar bij witte dwergen)
Supernova 1054
Pulsars • PSR B0329+54
0.714519 s = 1,4 x per seconde
• Vela Pulsar
89 ms = 11 x per seconde
• Krab Pulsar
30 x per seconde
• PSR J0437-4715
174 x per seconde
Pulsars • PSR B0329+54
0.714519 s = 1,4 x per seconde
• Vela Pulsar
89 ms = 11 x per seconde
• Krab Pulsar
30 x per seconde
• PSR J0437-4715
174 x per seconde
Pulsars • PSR B0329+54
0.714519 s = 1,4 x per seconde
• Vela Pulsar
89 ms = 11 x per seconde
• Krab Pulsar
30 x per seconde
• PSR J0437-4715
174 x per seconde
Pulsars • PSR B0329+54
0.714519 s = 1,4 x per seconde
• Vela Pulsar
89 ms = 11 x per seconde
• Krab Pulsar
30 x per seconde
• PSR J0437-4715
174 x per seconde
Pulsars • PSR B0329+54
0.714519 s = 1,4 x per seconde
• Vela Pulsar
89 ms = 11 x per seconde
• Krab Pulsar
30 x per seconde
• PSR J0437-4715
174 x per seconde
Grote dichtheden! • Witte dwerg: ton per cm3
De elektronenwolken van de atomen bestaan niet meer en het plasma (mengsel kernen en elektronen) is sterk samengedrukt. De afstotende kracht tussen elektronen geven de tegendruk.
• Neutronenster: 4 x 108 ton/cm3
Alleen kerndeeltjes dicht op elkaar met nucleaire dichtheid. Kernkrachten tussen neutronen geven de tegendruk.
• Atomen zijn grotendeels leeg. Die ruimte kan eruit!
Zwart gat (stellair) • Ontstaat vermoedelijk als ster te zwaar is om als neutronenster te eindigen
• Zwaartekracht balt materie samen tot ‘singulariteit’: punt met oneindig hoge dichtheid
• ZG wordt ‘begrensd’ door waarnemingshorizon: kom je binnen die horizon, dan is er geen ontsnapping meer mogelijk
• Ook licht kan er niet uit, vandaar de naam
Hoe zien we zwarte gaten? • Door hun invloed op hun omgeving
• Bronnen van röntgenstraling door invangen van materie
• Massabepaling in dubbelsterren
Cygnus-X1
Galactische zwarte gaten • Kernen van melkwegstelsels zijn vaak bronnen van intense straling
• Straling komt uit zeer klein gebied
• Snelheden van gas en sterren in directe omgeving erg hoog
• Conclusie: zwarte gaten van miljoenen zonsmassa’s!
Massa heelal? • 200 miljard zonsmassa’s per sterrenstelsel
• 100 miljard sterrenstelsels in het zichtbare heelal
• Probleem:
– We weten niet hoe groot de rest van het heelal is
– Bovenstaande schatting gaat alleen over de zichtbare materie:
96% wordt vertegenwoordigd door donkere massa (23%) en donkere energie (73%)
Donkere materie? • Dynamica sterrenstelsels en clusters
→ donkere materie
Rotatiekromme Melkweg Gravitatielenzen
Wat is donkere materie? Kandidaten:
• Zeer zwakke sterren
• Heet gas tussen de sterrenstelsels
• Donkere planeten in de lege ruimte
• Zwarte gaten
• MACHOs (massive galactic halo objects)
• Neutrino’s met massa
• WIMPs (weakly interacting massive particles)
Donkere energie • Heelal blijkt versneld uit te dijen!
• Ontdekt door Type 1a supernova’s in verre sterrenstelsels, waardoor we afstanden konden meten
• Negatieve zwaartekracht?
• Werkt op grote afstanden
• Wordt steeds sterker?
• Of toch iets mis met die supernova’s...
Samenstelling heelal nu
Samenstelling heelal nu
? ?
Samenstelling heelal: 380000 jaar oud
Inflatie • Korte fase van zeer snelle uitdijing tijdens de oerknal
• ‘Smeerde’ het heelal glad en lost het probleem van de missende monopolen op
• ‘Werkelijke’ heelal veel groter dan wat wij zien
• Waar dijt het heelal in uit? Onze ruimte wordt groter, maar ‘waarin’ heeft fysisch geen betekenis
Wat was er voor de oerknal? • Wat is er ten noorden van de noordpool?
• Vraag heeft geen betekenis
• Voor de oerknal was er geen tijd zoals wij die beleven!
• Maar er wordt wel gespeculeerd over multiversum met ontelbare universums
• De energie die in het heelal zit, is er op de één of andere manier aan het begin ‘ingestopt’
• Wie zich daar prettig bij voelt, mag daar de hand van een schepper inzien, maar nodig is dat niet
Kan de tijd natuurkundig anders zijn als je in het universum bent? • Ja!
• Speciale Relativiteit (Einsteins leer van eenparige bewegingen): tijd verloopt trager t.o.v. omgeving als je snel beweegt.
• Algemene Relativiteit (Einsteins leer van versnelde bewegingen en zwaartekracht): tijd verloopt trager als je je dieper in een 'zwaartekrachtsput' bevindt.
• Beide effecten worden gemeten door vergelijking van atoomklokken op aarde en in de ruimte. GPS moet er rekening mee houden!
Klopt onze aardse natuurkunde wel in het verre heelal? Vraag: Wetenschappelijke bewijzen zijn afkomstig van theorieën die waar zijn op aarde. Bijv. de afstandsberekeningen d.m.v. licht, kloppen volgens wetenschappelijke bewijzen, die kloppen vanuit een theorie. De vraag die ik erachter heb is of er stromingen zijn in de wetenschap die de stelling innemen dat alles wat wetenschappelijk bewezen is, geldt volgens aardse aannames. Een voorbeeld; waar is het einde van het heelal? Wellicht is er geen einde. Op aarde heeft alles een begin en een einde. Wellicht gelden daarbuiten andere beginselen.
Klopt onze aardse natuurkunde wel in het verre heelal? • Ja, voor zover wij weten wel.
• Newton was de eerste die de relatie legde tussen zwaartekracht op aarde (de appel) en die tussen aarde en maan.
• Spectroscopisch waarnemingen in het lab kloppen met die van het verre heelal.
• Met spectroscopie kunnen we de zgn. fijnstructuurconstante meten tot op zeer grote afstand. Deze leert ons dat de natuurwetten het zelfde zijn in het gehele voor ons zichtbare heelal.
Hoe verder met hobby? • Een eigen kijker? → www.sterrenkijker.nl
• Boeken en tijdschriften: - Zenit
- Sterren & Planeten
- Sterrengids
• Veel actueel nieuws on-line: - www.astronieuws.nl
- www.allesoversterrenkunde.nl
- www.space.com
- hubblesite.org
- www.eso.org/public/netherlands/
Hoe verder met hobby? • Verenigingen:
KNVWS - afdelingen, werkgroepen,
landelijke bijeenkomsten, symposia
www.sterrenkunde.nl/knvws/
• In Utrecht - Sterrenkundige Kring Minnaert: lezingen, kijkavonden, excursies
www.kringminnaert.nl
• Forum: www.astroforum.nl
• Wordt vrijwilliger bij Sonnenborgh
(of een andere sterrenwacht)
• Wordt lid van Vrienden van Sonnenborgh - blad voor donateurs en soms bijzondere activiteiten
www.sonnenborgh.nl
Nog vragen?
Winkel gaat zo open !
Bekijk het nog eens via
www.sonnenborgh.nl/cursus
