Sterrenstelsels en kosmologie

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.