Sterrenstelsels en kosmologie
Inhoudsopgave • Ons eigen melkwegstelsel • De Lokale Groep • Sterrenstelsels • Structuur in het heelal • Pauze • De geschiedenis van het heelal • Standaard big bang theorie • De toekomst van het heelal
The Antennae Galaxies, NGC 4038/4039 - HST
Het heelal is enorm!
De lichtsnelheid is 300.000 km / sec: 7,5 keer de aarde rond in 1 sec
De afstand aarde – maan is 1,5 lichtseconde
4
Zon is 5 lichtseconden in doorsnede
Aarde – Maan systeem
Ø 5 lichtseconden
Afmeting
De afstand zon – aarde is 8 lichtminuten
Dichtstbijzijnde ster na de zon is proxima centauri op 4,3 lichtjaar afstand
Spelen met getallen: het sterrenstelsel op schaal Als de zon zo groot zou zijn als een knikker met een doorsnede van 1 cm, op welke afstand zou de knikker proxima centauri staan?
Alpha Centauri
Antwoord
Ø zon is 5 lichtsec 1 cm 4,3 lichtjaar is dan: 4,3*365*24*60*60 = 5 271 km
Onze Melkweg is leeg! Alpha Centauri
In 1838 voor het eerst de afstand tot een ster gemeten met parallax
In 1838 vindt Bessel de afstand tot een ster met behulp van de parallax methode: 61 Cygni op 11,4 lichtjaar Maar dat was nog maar 1 van de xxx sterren in de Melkweg…
Melkweg Alle sterren die we zien zijn onderdeel van ons melkwegstelsel
11
Ons Melkwegstelsel Grote beer Tweeling
Andromeda Orion Magellaense wolken Om te begrijpen hoe ons Melkwegstelsel in elkaar zit, is het cruciaal afstanden te kunnen bepalen
Hoe verder van ons vandaan, des te zwakker en kleiner objecten lijken
Cepheïden: pulserende sterren als meetlat
Henrietta Leavitt ontdekte dat zwakkere Cepheïden sneller pulseren (begin 20e eeuw)
1920: The Great Debate over omvang van ons melkwegstelsel en de aard van vage nevels
Harlow Shapley Melkweg is zo enorm, gasnevels zijn onderdeel van ons melwegstelsel
Heber Curtis Nevels zijn andere “eiland heelallen”
1923 - 1930: Observationeel bewijs voor “eiland heelal” theorie en correcte afmeting melkweg 1923: Edwin Hubble meet de afstand tot de Andromeda nevel met behulp van Cepheïden op 2,54 miljoen lichtjaar en concludeert: dit is buiten onze Melkweg
1930: Robert Julius Trumpler gebruikt RR Lyrae sterren in bolhopen om de omvang van de Melkweg te bepalen: Ø 32000 lichtjaar
40 jaar later onthult Dwingeloo de spiraalarmen van ons melkwegstelsel Waarnemingen van radiostraling gedaan met de Dwingeloo telescoop (vanaf 1956) laten de verdeling van moleculaire wolken in ons melkwegstelsel zien en onthullen daarmee de spiraalstructuur
Nu hebben we een rijkdom aan observaties beschikbaar
Onze Melkweg, wat we nu weten: Zon 1 van de 200 miljard sterren • Diameter 100.000 lichtjaar • Dikte 5.000 lichtjaar • In de schijf: relatief veel blauwe jonge, grote sterren en al het gas en stof • In het centrum: oude sterren en een zwart gat • In de halo: verspreide oude sterren en bolhopen • 1 proton per m3: 90% in sterren, 10% in gas •
M74 als voorbeeld van een spiraalstelsel
U bent hier: de plaats van de zon in de Melkweg
De zon: • 30.000 lj tot centrum • 50 lj boven het vlak • Aan de rand van de Orion arm • Zon draait in 200 miljoen jaar om centrum
Inzoomen op de kern: het centrum van onze Melkweg is dichtbevolkt
Het centrum van de Melkweg zit verstopt in grote hoeveelheden gas en stof. Zonder extinctie is de kern zo helder als de volle maan
Inzoomen op de kern: In het centrum van de Melkweg bevindt zich een zwart gat Sterren bewegen met snelheden tot wel 1500 km per sec. Hun banen laten zien dat er zich een zwaar object in het centrum bevindt: 200 miljoen zonsmassa’s. Dit is waarschijnlijk een zwart gat
Uitzoomen: de buitenwijken van de Melkweg tonen tekenen van kosmisch kannibalisme
De Maggelaense Wolken zijn de meest nabije sterrenstelsels Meest nabije buurstelsels zijn de Grote en de Kleine Magellaense Wolk, te zien vanaf het zuidelijk halfrond.
De Maggelaense Wolken zijn de meest nabije sterrenstelsels
De Kleine en Grote Maggelaense Wolken zijn onregelmatige stelsels. Ze worden uit elkaar getrokken door de Melkweg.
Beter een goede buur dan een verre vriend: 30 sterrenstelsels in de Lokale Groep De Melkweg en de Maggelaense Wolken zitten samen met nog 27 andere stelsels in de Lokale groep
3 grote spiraalnevels • Melkweg • Andromeda M31 • Pinwheel M33 De Lokale Group is onderdeel van de Virgo Cluster: in deze cluster is het effect van de zwaartekracht sterker dan het effect van de uitdijing van het heelal: de stelsels bewegen naar elkaar toe
De spiraalstelsels in de Lokale Groep Andromeda nevel M 31
Pinwheel M 33
Over 4 miljard jaar zullen de Melkweg en Andromeda op elkaar botsen
Een impressie van de nachthemel over 4 miljard jaar: de Melkweg in botsing met Andromeda
Melkwegstelsels
Stelsels in soorten en maten
M83: een spiraalstelsel waarin veel jonge sterren worden gevormd
ESO 510 13: warp na interactie met een ander stelsel?
M104: Sombrero galaxy
NGC1300: een balkspiraal
M87: een elliptisch stelsel
NGC 5253: een onregelmatig dwergstelsel
Hubbles stemvork
Botsende stelsels: Arp 295
melkwegstelsels
en kosmologie
39
Botsende stelsels: NGC 2207 en IC 2163
Botsende stelsels: The Antennae (NGC 4038 / 4039)
Bij een botsing tussen twee zware stelsels gaat de originele structuur verloren
De 1.000.000 helderste sterrenstelsels zijn niet gelijkmatig over het heelal verdeeld De verdeling over de ruimte laat een sponsachtige structuur zien, vol dichter bevolkte clusters van stelsels afgewisseld met legere gebieden
De 1.000.000 helderste sterrenstelsels zijn nietvangelijkmatig over Vorming sterstelsels het heelal verdeeld
Pauze
De Doppler verschuiving geeft de snelheid van een sterrenstelsel In 1916 bepaalde Vesto Slipher de snelheden tot nabije sterrenstelsels en ontdekte dat ze allemaal van ons af bewogen
melkwegstelsels
en kosmologie
47
Doppler effect: bij beweging van je af daalt de frequentie, naar je toe stijgt deze juist
melkwegstelsels
en kosmologie
48
Het Doppler effect zien we ook bij het licht van sterrenstelsels
melkwegstelsels
en kosmologie
49
1929: Hoe verder een sterrenstelsel van ons af staat, des te sneller beweegt deze van ons weg
Edwin Hubble gebruikt de helderste sterren in sterrenstelsels om de afstand te bepalen Hij neemt aan dat deze helderste sterren dezelfde intrinsieke helderheid hebben Conclusie: hoe verder weg, des te hoger de snelheid
Het heelal dijt uit
Hubbles data
melkwegstelsels
en kosmologie
54
Of we bevinden ons op een hele speciale locatie, of het heelal dijt uit
U bent hier
Ons beeld van het uitdijende heelal
Licht wordt uitgerekt als het heelal uitdijt Hoe verder een sterrenstelsel van ons verwijderd is, des te meer het heelal is uitgedijd, dus des te meer het licht is uitgerekt naar langere golflengten: roodverschuiving
Onderlinge afstand
De afstand tussen the sterrenstelsels
Tijd
Onderlinge afstand
De afstand tussen the sterrenstelsels
Tijd
Onderlinge afstand
De afstand tussen the sterrenstelsels
Tijd
Hoe snel het heelal uitdijt, vertelt ons iets over de leeftijd van het heelal, maar….. De zwaartekracht trekt aan het heelal en remt het af
Onderlinge afstand
De afstand tussen the sterrenstelsels
Uitdijing vertraagt
Tijd
De structuur in het heelal is met de tijd steeds inhomogener geworden Vorming van sterstelsels
Kosmische achtergrondstraling: bullshit (pigeon’s shit)? In 1964 ontdekten Arno Penzas en Robert Wilson bij toeval de kosmische achtergrondstraling. Dit nadat ze alle andere mogelijke bronnen hadden uitgesloten.
Nu veel gedetailleerdere waarnemingen van de achtergrondstraling: temperatuur = 2,73 graden Kelvin
Planck
WMAP Fluctuaties in de orde van een miljoenste graad
Big Bang Theorie 13,7 miljard jaar geleden alles dicht op elkaar Alle materie/ energie in een kleine ruimte met erg hoge temperatuur. Alles gaat uitdijen Sindsdien zet de ruimte al 13,7 miljard jaar uit
• Dezelfde energie verdeeld over groter gebied: afkoeling • Hoe snel de uitdijing in verleden was, weten we niet • Vergelijk met rijzen krentebol • Onze meetlatten worden niet langer
De Big Bang tot nu
De geschiedenis van het heelal Eerste tien minuten alleen straling Na 10 minuten ontstaan deeltjes • zelfde condities als in centra sterren: vorming van protonen, neutronen en kernen van helium
Na 300.000 jaar is het afgekoeld tot 4000 graad • ontstaan atomen; fotonen kunnen vrij reizen: achtergrondstraling
Ontstaan sterren en sterstelsels, 100 miljoen jaar? Huidige heelal, 2,74 graad
Onderlinge afstand
De toekomst voorspellen
Tijd
Onderlinge afstand
De toekomst voorspellen
Tijd
Onderlinge afstand
De toekomst voorspellen
Tijd
Onderlinge afstand
De toekomst voorspellen
Big Bang
Tijd
Onderlinge afstand
De toekomst voorspellen
gnaB giB Big Bang
Tijd
De afremming van de uitdijing het heelal vertelt ons hoe de toekomst eruit ziet
Het verleden van het heelal meten Nu
Tijd
Lang geleden Langzaam
Uitdijing snelheid Snel
Het verleden van het heelal meten Nu
Tijd
Lang geleden Langzaam
Uitdijing snelheid Snel
Het verleden van het heelal meten Nu
Tijd
Lang geleden Langzaam
Uitdijing snelheid
Zwaartekracht wint
Snel
Het verleden van het heelal meten Nu
Tijd
Lang geleden Langzaam
Zwaartekracht wint
Uitdijing snelheid
Zwaartekracht verliest
Snel
Het verleden van het heelal meten Nu
Tijd
Lang geleden Langzaam
Zwaartekracht verliest
Zwaartekracht wint
Uitdijing snelheid
Versnellende uitdijing
Snel
Het verleden van het heelal meten Nu
Zwaartekracht verliest
Zwaartekracht wint
Helderder Dichterbij
Lang geleden
Versnellende uitdijing
Afstand
Zwakker Verder weg
Tijd
Het verleden van het heelal meten
Versnellende uitdijing
Afstand
Zwakker Verder weg
Zwaartekracht verliest
Zwaartekracht wint
Helderder Dichterbij Laag
Roodverschuiving
Hoog
Type 1a supernovae als afstandsbepalers
Hoe snel een supernova afzwakt, is afhankelijk van zijn instrinsieke helderheid (Mark Philips, 1993)
Analyse van type 1a supernovae geeft de verhouding tussen afremmend en versnellend materiaal
Er is veel te weinig massa in het heelal om het vlak te kunnen maken (27% van de massa die daarvoor nodig is) En er is 5 meer zwaartekracht dan atomen…
Donkere materie
Analyse van type 1a supernovae geeft de verhouding tussen afremmend en versnellend materiaal 27% van het materiaal oefent zwaartekracht uit 73% duwt alles juist bij elkaar vandaan
Het effect van donkere materie zien we ook op kleine schaal terug in de rotatie van sterrenstelsels
De voorlopige conclusie: een steeds sneller uitdijend heelal, steeds meer gedomineerd door donkere energie Hoe meer het heelal uitdijt, des te meer donkere energie die tegen de afremmende zwaartekracht in kan duwen, waardoor er weer meer ruimte ontstaat en meer donkere energie. (etc etc etc)
Er wordt sneller ruimte gecreëerd dan het licht kan reizen. Het licht bereikt ons niet meer en in het voor ons zichtbare heelal zijn steeds minder objecten te zien.
