Het fascinerend heelal hoe meten we sterren?

Welkom
Florine Meijer (JCU)
Henny Lamers (SIU)
Woudschotenconferentie
natuurkunde
12 december 2009
Vanmiddag
Even voorstellen
De module
Inleiding sterevolutie
Ervaringen en mogelijkheden
Tenslotte
Even voorstellen
Florine Meijer
Junior College Utrecht (JCU)
• Universiteit Utrecht en 26 partnerscholen
• Bètaonderwijs 5/6 vwo: NLT, differentiatie,
onderzoek
Henny Lamers
Sterrenkundig Instituut Utrecht
De module: onderwerpen
Met dank aan wordle.net
De module: kern en keuze
Kernhoofdstukken
Keuzehoofdstukken
1 Meten aan sterren
2 Structuur van sterren
3 Levensloop van sterren
A Scheikunde tussen de
sterren
B Compacte sterren
C Supernova’s
D Zwarte gaten
Gebruik:
- In de klas
- Achtergrond bij
praktische
opdracht
- Voorkennis in
bijlage
Mogelijkheden
VWO 6 of eind 5
Binnen de lessen natuurkunde (sk)
– na Elektromagnetische straling en
materie (Nina)
– na Project Moderne Natuurkunde
In NLT, Domein D
– na Kernfusie
– i.p.v./na Meten aan Melkwegstelsels
(overlap: zwarte gaten)
Mogelijkheden: differentiatie
Voorkennisbijlage
van tevoren of tijdens kernhoofdstukken
Kernhoofdstukken meer/minder diep
grote lijn of details
meer/minder opgaven
Keuzehoofdstuk
Compacte sterren is lastigste
Keuzeonderwerp
leerlingen kiezen zelf onderwerp en diepgang
Mogelijkheden: afsluitingen
Schriftelijke toets
Praktische opdracht
Excursie
– sterrenwacht
– Planetarium Artis
Ervaringen van docenten
“Met de keuze-onderwerpen zijn de
meeste leerlingen enthousiast aan
het werk gegaan.
Dat leidde tot websites, verslagen,
en een brochure met de titel
neutrino’s voor dummies.”
Ervaringen van leerlingen
“Ik vond de sessies over supernova's en
zwarte gaten het leukst, omdat die over
concrete voorbeelden gingen.
Bovendien zijn het ook echt coole dingen,
wat er gebeurt als een ster ontploft.”
“De module geeft een goed idee van hoe
groots en indrukwekkend het heelal kan
zijn.”
Als ik het zelf ga geven…
V5 of V6, natuurkunde/scheikunde of NLT?
NLT: leerlingen zonder natuurkunde?
collega erbij?
keuzehoofdstuk?
afsluiting?
Beschikbaarheid
Leerlingmateriaal
– www.betavak-nlt.nl
– www.uu.nl/jcu
Docentenmateriaal
– op aanvraag bij [email protected]
Nascholing
– www.best-utrecht.nl
www.uu.nl/jcu
Leerlingmateriaal
downloaden
Inleiding sterevolutie
Door Henny Lamers
De levensloop van
sterren
Henny J.G.L.M. Lamers
Sterrenkundig Instituut
Universiteit Utrecht
Tel: 030-2535222
email: [email protected]
1. De vorming van sterren
Een klein stukje sterrenhemel
De Pleiaden sterrenhoop
honderden sterren
Sterrenhoop M13
honderdduizenden sterren op een kluit
Een hete gas wolk
(T~ 104 K)
waterstof
70%
helium
28%
(rest)
2%
vooral
koolstof,
stikstof
zuurstof
Een koude stofwolk (T~100 K)
uiterst kleine roet en zand korreltjes (~0.1 micron)
Het ontstaan van een sterrenhoop
uit een grote gasnevel
1.
kontraktie van
een gaswolk door
eigen
zwaartekracht
2.
kontraherende
gaswolk gaat
klonteren
3.
klonters
trekken samen
tot sterren
4.
sterrenhoop !
De Adelaar nevel :
stervormings nevel
Afstand: 7000 lj
Diameter:
totaal :
50 lj
binnendeel: 15 lj
Totale massa:
>12000 Mzon
Bellen blazen
in een stervormende wolk
Eerste sterren in
een stervormings
nevel gaan gas in
hun directe
omgeving verhitten
en ionizeren →
expanderende hete
gasbel
Gas-stof kolommen in Adelaar nevel
materiaal voor honderden sterren
Hubble
Ruimte
Telescoop
Grootste
kolom =
3 x 1 lj
“Pillars of creation”
Verdamping van
gas en stof door
nabije sterren
Samenstelling van gaswolken
en van bijna alle sterren in ons
melkwegstelsel
afgeleid uit het spectrum
Waterstof (H)
70 %
Helium
(He) 28 %
Zuurstof
(O)
Koolstof
(C) 0.4 %
Stikstof
(N)
Rest
1%
0.1 %
0.5 %
2. De levensloop van zon sterren
De zon
Afstand:
150 000 000 km
= 8 lichtminuten
Diameter:
1 400 000 km
Oppervlakte:
5700 graden
Leeftijd:
4,6 miljard jaar!
Straling: 4 1026 Watt
Alle auto’s op aarde (7 108), 100 km/dag,
4miljoen jaar !
= energieverbruik Zon in 1 sec !
Het principe van H→He fusie
4 protonen + 2 electronen → He-kern + 2 neutrinos + energie
De fusie reacties van H → He in sterren
In lichte sterren T<18 MK
In zware sterren T > 18 MK
proton-proton keten
CNO cyclus
Netto: 4H + 2e → He-kern
Netto: 4H + 2e → He-kern
Energie produktie door H fusie
4 1H → 4He + 2e+ + 2γ + 2ν
2 e+ + 2 e- → 2γ
• 4 protonen : 4x1.00727 = 4.0291 a.m.u
• 2 electronen: 2x0.00055 = 0.0011 a.m.u
•
----------•
in
4.0302 a.m.u
• He kern
uit
4.0015 a.m.u
•
---------•
omgezet in energie 0.0287 a.m.u.= 0.7 %
E = m c2
Opgave: bereken de maximale
levensduur van de zon door H-fusie
Levensduur = Energie voorraad/Energie verbruik
• Massa van de zon
• 70% is waterstof
• 12% van de massa zit in de kern (fusie)
= 2.0 1030 kg
• Energie verbruik van zon
= 3.8 1026 J/s
• Maximale levensduur van zon = Energie voorraad /Verbruik
= ?????
jr !!
Opgave: schat de maximale
levensduur van sterren
Maximale levensduur = energie voorraad/verbruik
tmax = 9 miljard x (M/Mzon)/(L/Lzon) jr
Massa
(in Mzon)
1
3
5
20
60
0.8
Helderheid
(in Lzon)
1
70
450
40 000
500 000
0.5
met L ~M3.8
Levensduur (jr)
geschat
De evolutie van de zon (en sterren)
Strijd tussen
1. zwaartekracht
→ krimpen
2. gasdruk
(en stralingsdruk)
→ uitzetten
Zolang er fusie is kan de
ster in evenwicht blijven
Zon nu:
H →He fusie in het centrum
Belangrijkste fusie reakties in sterren
grondstof
Waterstof
Helium
Koolstof +He
Zuurstof
Silicium
produkt
T
reactie
→ Helium 107
4 H→ He4
→ Koolstof 108
3 He4→ C12
→ Zuurstof 2 108 C12 + He4 → O16
→ Silicium 109
2 O16 → Si28 + He4
→ IJzer
2 109 2 Si28 → Fe 56
Na eind van elke fusie fase wint zwaartekracht :
→ ster wordt ineengedrukt
→ temperatuur en druk in centrum stijgen
→ totdat de volgende fusie fase start.
De zon over 3.5 miljard jaar :
einde H-fusie in centrum
een rode reus
Aarde verschroeit : einde van leven op aarde
300 miljoen jaar later :
rode superreus
Straal van zon is dan 200 a 300 maal huidige straal
Misschien wordt de aarde dan opgeslokt door de zon !
Rode superreus : R ~ 300 Rzon
ster met kern van helium en koolstof
C-pit met He-schil eromheen
detail tekening van centrum
Officiele naam : ster op asymptotische reuzen tak (AGB)
Rode superreuzen “pulseren”
helderheid
Uitzetten en inkrimpen op tijdschaal van maanden tot jaren
Hierbij worden steeds buitenlagen afgestoten (v ~ 20 km/s)
Totdat, na ca 100 000 jaar alleen de “pit” van de ster overblijft !
3. Het einde van sterren
Planetaire nevels :
de “laatste ademstoot” van lichte sterren (M<6 Mzon)
Diameter :
1 lichtjaar
Snelheid:
20 a 50 km/s
Samenstelling:
voornamelijk H-gas
verrijkt met
He en C
Ster in centrum:
Witte dwerg
= “pit” van de ster
kattenoog nevel
uitgestoten gaslagen rondom een witte dwerg
foto in UV licht
foto in nabij infrarood licht
Levens cyclus van sterren
Het einde van een zware ster
M>8 Mzon
Alle fusie-fasen zijn doorlopen, tot vorming van Fe in centrum
Supernova
Implosie van de kern en explosie van de buitenlagen
(a) De ster heeft een Fe kern: geen energiewinst door fusie meer mogelijk.
(b) In het centrum is er door kernfusie een ijzeren kern ontstaan, die instort.
(c) Het binnendeel wordt samengedrukt zodat er neutronen gevormd worden
(d) Het invallende gas botst op de “harde” neutronen ster (M~ 2 Mzon)
(e) Er ontstaat een schokgolf
(f) Dit schokfront is zo sterk dat de buitenlagen worden weggeblazen
= supernova –explosie met snelheid van 15 000 km/s
Uiteindelijk blijft er slechts een neutronster over, of een zwart gat.
23 febr 1987: Supernova 1987A
een ontploffende zware ster
25 febr 1987
Ster werd binnen twee dagen 200 miljoen maal zo helder als zon !
Hij bleef maanden zo helder en begon toen zwakker te worden.
Ster is nu niet meer zichtbaar, uitgestoten nevel wel.
“Krab-nevel”
restant van ster die in 1054 ontplofte
Het signaal van de
Krab-pulsar:
een piepje elke
0.0336702 seconde
Pulsar = zeer snel roterende neutronen ster met strek magneet veld
De Sluier nevel
restant van supernova explosie van 7000 jaar geleden
Expansie
snelheid
2000 km/s
Wij zijn gemaakt van
sterrenstof !
Wilt U deze powerpoint presentatie ontvangen, email naar
[email protected]
Sterrenkunde les door een astronoom?
[email protected] of [email protected]
Foto’s van Hubble Space Telescope te vinden op
http://heritage.stsci.edu
Een uitstekend boek over sterrenkunde op ongeveer dit niveau:
In quest of the Universe (CD met video’s en foto’s)
T.Koupelis & K. Kuhn,
uitgever: Jones & Bartlett Publ.
ISBN 13-978-0-7637-4387-1 of ISBN 10-0-7637-4387-0
Dank
De schrijvers van de module
De leerlingen van het JCU
De docenten en leerlingen die de
module hebben uitgeprobeerd
U voor uw belangstelling