Sirius A en B - Scholieren.com

Sirius A en B
Een beschrijving van een
dubbelsysteem op 8,7
lichtjaar afstand.
Niels van Staaveren en Thom Zwaan, 5A2
Inhoud
Inleiding ................................................................................................................................................... 1
Gegevens: ................................................................................................................................................ 2
Sirius A ..................................................................................................................................................... 2
Sirius B ..................................................................................................................................................... 3
Ontdekking van Sirius B ....................................................................................................................... 3
Binaire systemen ..................................................................................................................................... 4
Naamgeving en categorisatie .............................................................................................................. 5
De telescoop ............................................................................................................................................ 5
De werking van een telescoop ............................................................................................................ 5
Gegevens van ‘Onze’ Telescoop8......................................................................................................... 5
Mythen over Sirius .................................................................................................................................. 6
Het oude Egypte .................................................................................................................................. 6
De Romeinen ....................................................................................................................................... 6
Elektromagnetische straling .................................................................................................................... 7
Soorten elektromagnetische straling .................................................................................................. 7
Soorten spectra16................................................................................................................................. 7
Golf of deeltje? .................................................................................................................................... 8
Warmte van een object ....................................................................................................................... 8
Observatie ............................................................................................................................................... 9
................................................................................................................................................................. 9
Waarnemingen en verklaring ................................................................................................................ 10
Samenwerking ....................................................................................................................................... 11
Inleiding
Voor het tweede project van ANW gaan wij een beschrijvend onderzoek doen naar een hemelobject.
Onze keuze is gevallen op Sirius α en β, twee sterren die een dubbelsysteem vormen. Dit systeem
staat op 8,7 lichtjaar vanaf de aarde. Tijdens dit project moeten wij ons inlezen over het systeem,
algemene dingen over telescopen leren en twee observaties doen. We hebben binnen dit verslag
twee aanduidingen gehanteerd, namelijk Sirius A of Sirius α/Sirius B of Sirius β.
Gegevens
Sirius is een onderdeel van het sterrenbeeld de Grote Hond en is een van de helderste sterren aan de
hemel. Sirius is een dubbelster die bestaat uit Sirius A en Sirius B. Een dubbelster is een stelsel van
twee sterren die om elkaar heen bewegen. Toen in 1610 de sterrenkijker was uitgevonden, zijn er
veel sterren ontdekt die dicht bij elkaar staan en in de zelfde richting bewegen, maar er zijn ook
optische dubbelsterren. Ze staan toevallig in dezelfde richting, maar dan zijn ze niet meteen een
fysische dubbelster (een werkelijke dubbelster).
Sirius staat relatief dicht bij de aarde. Het is op de zon na de dichtstbijzijnde ster en staat op 8,7
lichtjaar van de aarde af.
Type ster
Sterrenbeeld
Ontdekt in
Ontdekt door
Schijnbare magnitude
Absolute magnitude
Sirius A
Dubbelster
Grote Hond
-1,42
1,45
Sirius B
Witte dwerg
1862
Alvan Graham Clark
8,65
11,4
Sirius A
De massa van Sirius A is ongeveer dubbel zo veel als die van de zon. De snelheid waarmee de ster om
zijn eigen as draait is 16 km/s, wat relatief langzaam is. Hierdoor wordt de ster niet platter, op een
schijfvormige manier, zoals bij veel andere sterren wel gebeurt. Vega is qua grootte een vergelijkbare
ster met Sirius en draait met een snelheid van 274 km/s, waardoor de ster platter is.
Er wordt gesuggereerd dat Sirius is ontstaan tijdens het uiteenvallen van een moleculaire wolk en dat
na tien miljoen jaar zijn interne energie is ontstaan uit nucleaire reacties. Er wordt geschat dat Sirius
A binnen een miljard jaar na het ontstaan
van de ster, zijn gehele opslag van waterstof
in zijn kern heeft verbruikt.
1
http://www.sterrenkunde.nl/index/encyclopedie/sirius.html
http://www.siriusrising.com/sirius.htm
3
http://www.sterrenkunde.nl/index/encyclopedie/afstandsmaat.html
2
Sirius B
Sirius B heeft ongeveer de grootte van de aarde, maar toch heeft de ster een massa groter dan de
zon. Dat betekent dat Sirius B een enorme dichtheid moet hebben. De dichtheid is ongeveer 92000
groter dan die van de zon. Daarmee is het een van de zwaardere witte dwergen die bekend zijn. De
huidige temperatuur op het oppervlak van Sirius B is 25200 K, maar omdat er geen interne bron van
hitte is, zal Sirius B langzaam aan afkoelen over een periode van meer dan twee miljard jaar doordat
de warmte de ruimte ingestraalt wordt.
De witte dwerg bestaat vooral uit een mix van koolstof en
zuurstof dat is ontstaat door de heliumfusie in Sirius A.
Hierboven zit een laag met lichtere elementen door de hoge
zwaartekracht op het oppervlak. Daarom bestaat de
buitenste laag van de atmosfeer uit bijna pure waterstof,
omdat dat het element is met de laagste massa.
Ontdekking van Sirius B
In 1844 leidde de Duitse astronoom Friedrich Bessel van periodieke onregelmatigheden in de baan
van Sirius af dat er nog een ander hemellichaam bij Sirius was. Bijna 20 jaar later was een
Amerikaanse telescoop maker en astronoom, Alvan Graham, de eerste die het hemellichaam
observeerde. Tegenwoordig heet hij Sirius B en ook wel de ‘Pup’ genoemd. Sirius A wordt ook wel de
‘Dog Star’, omdat hij deel uit maakt van het sterrenbeeld de Grote Hond.
Sirius B werd gevonden tijdens de test van een telescoop voor Dearborn Observatory. Dit was toen
der tijd de grootste refractor telescoop die er bestond en de grootste telescoop in Amerika. Een paar
maanden later werd het bevestigd door andere kleinere telescopen die Sirius B ook hadden gezien.
Sirius B bleek al snel een bijzondere ster te zijn, omdat beide sterren ongeveer het zelfde spectraal
type (kleur) te hebben, namelijk A1 voor de hoofdster en A5 voor de begeleider, en toch 10
magnitudes in helderheid verschillen. Dat zou betekenen dat Sirius B erg klein is en daaruit bleek dat
Sirius B de eerst ontdekte witte dwerg is. Een witte dwerg is een ster die aan het einde van haar
levenscyclus is gekomen.
Binaire systemen
Binaire systemen zijn sterrenstelsels, waarin twee sterren om een gezamenlijk massamiddelpunt
draaien. De zwaarste ster wordt de primaire ster genoemd en de lichtere ster de secundaire ster. Er
zijn ook sterrenstelsels bekend waar drie, vier of nog meer sterren om een gezamenlijk
massamiddelpunt draaien. Dit wordt een meervoudig systeem genoemd. Het Sirius-systeem bestaat
uit twee sterren, namelijk Sirius α en Sirius β.
Ontdekking van Binaire systemen
De eerste persoon die de term ‘Binair systeem’ in de huidige betekenis gebruikte was de bekende
astronoom Sir William Herschel (1738-1822). In 1802 schreef hij zijn "Catalogue of 500 New Nebulae,
Nebulous Stars, Planetary Nebulae, and Clusters of Stars; With Remarks on the Construction of the
Heavens". Hierin sprak hij voor het eerst over binaire systemen met de volgende quote:4
"If, on the contrary, two stars should really be situated very near each other, and at
the same time so far insulated as not to be materially affected by the attractions of
neighbouring stars, they will then compose a separate system, and remain united by
the bond of their own mutual gravitation towards each other. This should be called a
real double star; and any two stars that are thus mutually connected, form the
binary sidereal system which we are now to consider."
Er waren voor 1802 wel sterke vermoedens dat er binaire systemen waren, maar daar was nog geen
sluitend bewijs voor; zo zijn er al ‘binaire sterrenstelsels’ bekend in 1650 en 1685.5
In de schematische voorstelling hierboven is zichtbaar hoe een binair systeem er over het algemeen
uitziet. Dit schema kunnen we toepassen op het Sirius AB systeem. In dat geval is de grote gele cirkel
Sirius α, de kleine gele cirkel Sirius β en de rode punt het massamiddelpunt.
4 Herschel, William (1802). "Catalogue of 500 New Nebulae, Nebulous Stars, Planetary Nebulae, and Clusters of Stars; With Remarks on the Construction of the Heavens".
Philosophical Transactions of the Royal Society of London 92: 477–528 [481]
5 The Binary Stars, Robert Grant Aitken, New York: Dover, 1964, p. 1
Naamgeving en categorisatie
Binnen binaire systemen is het gebruikelijk om de zwaarste ster (de primaire ster) de letter A of α te
geven. Dit betekent dus dat Sirius α de zwaarste is van de twee sterren binnen het Sirius AB systeem.
De secundaire ster krijgt dan de letter B of β. Om een systeem gemakkelijk aan te duiden wordt de
volgende manier van schrijven gebruikt: naam systeem AB. Dus als we spreken over het Sirius AB
systeem, wordt er gesproken over het Sirius α en Sirius β systeem.
De telescoop
De telescoop draait uiteindelijk om het vergroten van objecten in de verte. Dit zit zelfs in de naam
van het apparaat zelf; in het oud Grieks betekend “tele scopos” dan ook ver-kijken.6
De werking van een telescoop
Achter iedere telescoop zit dezelfde basis, namelijk dat licht gebundeld wordt en dan vergroot door
een oculair.
Aan de linkerkant van de figuur komt het licht de
telescoop binnen. Door de bolle lens in de
telescoop gaat het licht convergeren (naar elkaar
toe) en gaat door een brandpunt. Vanaf het
brandpunt divergeert het licht (uit elkaar). Door
een andere bolle lens wordt het licht weer een
evenwijdige bundel, die vergroot wordt door het
oculair.7
De Schmidt-Cassegrain telescoop, waarvan wij een variant
op het dak hebben staan, werkt ook via dit basisprincipe.
Het enige dat anders is, is dat er spiegels gebuikt worden
om het licht te bundelen en dat dit twee keer gebeurd
i.v.m. het formaat van de telescoop.
Gegevens van ‘Onze’ Telescoop8
Naam
Type
Diameter van de lens
Database
Celestron GGE-1400
Schmidt-Cassegrain
14’’ = 35,6 cm
40000 objecten, waarvan 200 uitgelicht
6 JongerenWerkGroep voor Sterrenkijken geraadpleegd op 09-01-2014 http://www.sterrenkunde.nl/index/encyclopedie/telescopen.html
7 Skywatcher(06-11-2005) geraadpleegd op 09-01-2014 http://www.wetenschapsforum.nl/index.php/topic/15404-hoe-werkt-een-telescoop/
8 CGE Computerized Telescope http://www.celestron.com/astronomy/celestron-cge-1400-xlt-computerized-telescope.html
Mythen over Sirius
Het oude Egypte
In het oude Egypte voorspelde de Heliakische opkomst van Sirius de overstroming
van de Nijl.9 Een Heliaklische opkomst is de eerste opkomst van een ster, vlak voor
de Zon, na lange tijd van afwezigheid.10 De Egyptenaren baseerden hun kalender op
dit fenomeen, aangezien het de overstroming van de Nijl voorspelde na de 70 dagen
afwezigheid van Sirius α. De Egyptenaren geloofden dat in deze periode van het jaar
Isis en Osiris door de Egyptische onderwereld reisden. Ze hadden zelfs een term
voor deze periode van het jaar: Achtet11. De ster Sirius α stond in die tijd bekend als
Sopdet.12
De Romeinen
In Rome werd rond 25 april van ieder jaar de Heliakische opkomst van Sirius α
gevierd. Bij dit religieuze feest werd een hond (Canis) geofferd samen met wijn, wierook en een
schaap om de godin Robigo te eren (De Robigalia). Zij zou dan zorgen dat de oogst niet zou
beschimmelen.13
De Grieken
De Grieken hadden door observaties gemerkt dat als Sirius α
verscheen de zomer heet en droog zou zijn. Ze onderbouwden deze
stelling door middel van de observatie dat Sirius α meer ‘schitterde’
door de weersomstandigheden in het begin van de zomer rond de
zonnewende. Ze schreven aan deze ster een hoop dingen toe: het
dor worden van graan, het verzwakken van mannen en vrouwen
zouden zich misdragen. Deze ‘ziekten’ werden samengevat onder
de naam astroboletos (Grieks: ‘ἀστροβόλητος’), oftewel
‘Sterrensteek’. Verder offerden de inwoners van het eiland Kea
allerlei objecten om Sirius en Zeus gunstig te stemmen en te zorgen
voor een koele bries.14 Ook Homerus schreef in de Ilias over Sirius α
als een brenger van (wan)hoop, afhankelijk van offerandes.
Moderne uitingen met betrekking tot Sirius α
Tegenwoordig zijn er geen religieuze stromingen en/of volkeren die Sirius aanbidden als een god(in).
Sirius α en voornamelijk het systeem waarin deze zich bevindt, wordt vaak gebruikt door Science
Fiction schrijvers, omdat de ster zich (relatief) dichtbij Aarde bevindt en het de helderste ster van de
avondhemel is. Ook staat Sirius α op de vlag van Brazilië als een van de 27 sterren die staan voor de
‘provincies’.15
9 Schilling, Govert (2008). Atlas van Astronomische Ontdekkingen. ‘s-Graveland: Fontaine
10 Hugo (2007). Heliaklische Opkomst van een Ster. Geraadpleegd op 02 december 2013. http://www.hugova.be/KEMET/pg4-STERRENKUNDE/S055-heliakische-opkomst.html
11 Pracht, Huub (2013). Kalenders in het Oude Egypte. Geraadpleegd op 02 December 2013. http://www.kemet.nl/kalenders-in-het-oude-egypte/
12 Wilkinson, Richard H. (2003). The complete gods and goddesses of ancient Egypt. London: Thames & Hudson. pp. 167–168, 211. ISBN 0-500-05120-8.
13 Ovidius (8). Fasti IV (regels 901-942)
14 Holberg, JB Sirius:Brightest Diamond in the Night Sky , Praxis Publishing, Chichester, UK, 2007 ISBN 0-387-48941-X.
15 Duarte, Paulo Araújo. "Astronomia na Bandeira Brasileira". Universidade Federal de Santa Catarina.
Retrieved 2009-07-09.
Elektromagnetische straling
Alle sterren zenden een bepaalde straling uit. Deze straling is elektromagnetisch, wat betekent dat
het ontstaat door wisselende elektrische en magnetische velden. Deze velden staan haaks op elkaar.
Ieder object dat een temperatuur van boven het absolute nulpunt (0K) heeft, zendt
elektromagnetische straling uit als gevolg van zijn temperatuur.
Soorten elektromagnetische straling
Er zijn een aantal soorten elektromagnetische straling. De belangrijkste vormen van EM-straling zijn:
Naam
Golflengte
Frequentie(Hz)
Radiogolven
1mm – vele km
< 3*1011
Infrarode straling
750nm – 1mm
4*1014> x > 3*1011
Zichtbaar licht
400nm – 750nm
7,5*1014> x > 4*1014
UV
10nm – 400nm
3,0*1016> x > 7,5*1014
Röntgenstraling
0,002nm – 10nm
1,5*1020> x > 3,0*1016
Gammastraling
< 0,002nm
>1,5*1020
Uit deze waarden valt een verband te ontdekken, namelijk: 𝑐 = 𝜆 ∗ 𝑓. Met c =3,0*108 in het
vacuüm.16
Soorten spectra16
Er zijn drie soorten spectra die van belang zijn tijdens dit onderzoek, namelijk het continue
spectrum/het emissie spectrum/het absorptie spectrum. Het continu spectrum kan je zien, met een
spectroscoop, als je naar wit licht krijgt. Hieruit is dus ook te concluderen dat wit licht een mengsel is
van alle kleuren.
Een emissiespectrum kan je zien als je kijkt naar een sterk verhit gas. Een voorbeeld is natrium. Als je
natrium sterk verhit, zie je met een spectroscoop o.a. een gele lijn. Deze lijnen die je ziet zijn
karakteristiek voor het gas. Dus als je een bepaald emissiespectrum ziet, kan je eruit afleiden waar de
atmosfeer van de ster uit bestaat.
Als je wit licht door een gaswolk
zendt, zie je een continu spectrum
met een aantal donkere lijnen.
Deze lijnen staan op dezelfde plek
als de karakteristieke lijnen van
het gas. Hieruit mogen we
concluderen dat het gas die
bepaalde golflengte absorbeert.
Dit hangt samen met het
aangeslagen raken van elektronen
in het gas.
16 Noordhoff(2006), Pulsar-Natuurkunde vwo bovenbouw deel 2.pag. 122-123 Geraadpleegd op 12-06-2014
Golf of deeltje?
Tegenwoordig wordt aangenomen dat licht zich zowel als deeltje als golf kan gedragen. Het foton is
dus anders per gebruikte meetopstelling. Het foton heeft hier dus een link met bijvoorbeeld
Schrödingers kat (die dood en levend tegelijk is, zolang de kat niet wordt geobserveerd). In het geval
dat licht een deeltje is, het foton, kunnen we berekenen hoeveel energie dit deeltje bevat. Het blijkt
namelijk dat de hoeveelheid energie alleen afhankelijk is van de frequentie, oftewel:
𝐸𝑓 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 ∗ 𝑓. Deze constante werd voor het eerst geïntroduceerd door Max Planck in 1900.
De waarde van deze constante is 6,626*10-34Js, later vernoemt naar hem; de Constante van Planck
met als symbool h.16 Hiermee wordt de vergelijking: 𝐸𝑓 = ℎ ∗ 𝑓.
Warmte van een object
Zoals eerder al geschreven, zenden alle objecten warmer dan 0K straling uit als gevolg van hun
temperatuur. Hoe warmer een voorwerp wordt hoe blauwer het licht dat het voorwerp uitzendt. Dus
hoe kouder een voorwerp wordt hoe roder het licht wordt. Aan de hand van Planck-krommen kan je
afleiden hoe warm een voorwerp is. De Planck-krommen zien er als volgt uit:
16 Noordhoff(2006), Pulsar-Natuurkunde vwo bovenbouw deel 2.pag. 122-123 Geraadpleegd op 12-06-2014
Hieruit valt af te leiden dat zonlicht wit is, aangezien het oppervlakte van de zon een temperatuur
heeft van ca. 5800K. Op dat punt onder de kromme is het licht het meest verspreidt over het gehele
frequentiebereik van zichtbaar licht.16
Observatie
Op 26 februari 2014 gingen wij de sterrenkoepel in. Het was een super heldere nacht, dus een
perfect moment voor ons om de sterrenkoepel in te gaan. Voordat we naar Sirius gingen kijken,
moesten we eerst een aantal standaard checks doen. Om te beginnen moest de koepel open en met
het open luik de goede kan op staan. Met behulp van een applicatie op ons mobieltje en een soort
sterrenkaart, konden we achterhalen waar Sirius ongeveer aan de hemel stond. Uiteindelijk konden
we met het blote oog (na wat aanwijzingen van meneer Zijderveld) zien welk stipje de ster was die
wij wilden gaan observeren.
Via een menu in de afstandsbediening die de telescoop bestuurd konden wij Sirius kiezen, waarna hij
zich automatisch op de ster richtte. Er was alleen op dat moment een probleem met de telescoop.
Het lukte niet om de ster te blijven volgen. Het gevolg was dus dat je de ster langzaam kon zien
verschuiven. We moesten de telescoop dus telkens met de hand bijstellen.
Ook was het aan ons de taak om de telescoop op de dubbelster te richten, zonder gebruik te maken
van de computer. Hiervoor moesten wij eerst ongeveer richten, totdat je de ster in een klein vizier
kon zien. Als de ster dan precies in het midden stond, kon je (als je het goed had gedaan) de ster
door het oculair zien. Met nog gevoeligere bewegingen was het mogelijk om de ster precies in het
midden te krijgen. Voor eventjes dan, want door de draaiing van de aarde lijkt de ster te bewegen en
dreef dus als het ware van het beeld af.
Om foto’s te maken, moesten we de spiegelreflexcamera van meneer Zijderveld aan de telescoop
vast maken. Door een langere sluitertijd in te stellen lukt het om helderen en mooiere foto’s te
maken. Het probleem was alleen dat er bij ons bij een te langen sluitertijd een streepje ontstond,
omdat de telescoop niet meedraaide.
Waarnemingen en verklaring
Wat wij met de telescoop te zien kregen, was eigenlijk niet
veel meer dan een witte stip. In vergelijking met andere
objecten was Sirius niet erg spannend om te observeren. Wat
wel interessant was en vragen opriep, waren de gekleurde
lijnen die boven, onder, links en rechts van Sirius afkomen. Om
achter dit raadsel te komen, zijn wij naar meneer Fokkema
gegaan voor uitleg. Helaas is het zelfs hem na lang nadenken
en het halve internet afspeuren ook niet gelukt om op het
antwoord te komen. Wel heeft hij uitleg kunnen geven over
verschillende verschijnselen en zaken die hier mee te maken
zouden kunnen hebben.
Deze lijnen lijken erg veel op diffraction spikes. Dit zijn fouten
in de waarneming van de sterren. Bij de telescoop type
Schmidt-Cassegrain zweeft de voorste spiegel als het ware in
het midden van de opening van de telescoop. De spiegel wordt normaalgesproken vast gehouden
door een viertal staafjes zoals te zien is op de afbeelding. Het licht dat de telescoop binnenkomt
buigt langs de staafjes, wat de oorzaak is van deze
verschijning.
Nu is het punt dat de telescoop die wij op school
gebruikten geen staafjes heeft. De secundaire spiegel
zit vast in een stuk glas en dat sluit de opening af. Dit
is speciaal gedaan om de pieken te voorkomen.
Er “moet” dus iets tussen de ster en de CCD zitten dat
licht tegenhoudt (en waar het licht langs de rand
buigt). Als het niet de telescoop is, moet het de
camera zijn, maar ook hier hebben wij niet precies
kunnen vinden waar het aan zou moeten liggen.
Er is maar één mogelijkheid om erachter te komen en daarvoor zouden we nog een keer de koepel in
moeten gaan voor nog een observatie. Elke heldere puntbron, ster dus, zou voldoen. Dan kunnen we
kijken of we dan weer de spikes zien. Hiervoor zouden we het beeld van het oculair moeten
vergelijken met een foto die we van de ster maken. Zien we de spikes door het oculair (en dus ook op
de foto), dan betekent dat, dat het iets in de telescoop is. Zien we de spikes alleen op de foto, dan
ligt het aan de camera.
In principe is het spectrum dat wij zien het spectrum van de ster en zouden we dus in theorie iets
kunnen zeggen over de samenstelling van de atmosfeer met behulp van de theorie die wij gehad
hebben over elektromagnetische straling. Dit zou beter kunnen als al het licht gebogen wordt met
behulp van een tralie. Zo wordt al het licht omgezet in een spectrum. Dat zou dus een mogelijkheid
zijn voor een vervolgverslag.
Samenwerking
De samenwerking binnen dit project ging naar onze mening goed. We hadden in de eerste lessen al
snel een idee welk object we wilden observeren. We hadden misschien wel iets beter moeten
nadenken over onze keus, aangezien het tijdens de observatie een klein wit stipje was. Verder ging
de voorbereiding goed, in december 2013 hadden we het grootste gedeelte van de theorie al af.
Daarna heeft dit project verslag-technisch stil gelegen tot juni 2014 door o.a. andere ANW-projecten.
In februari zijn Niels en ik wel nog een avond wezen sterrenkijken, wat voor ons verslag belangrijk
was maar ook leuk. Ook hebben we eind mei 2014 contact opgenomen met Dhr. Fokkema, om de
vreemde spectraallijnen te verklaren. Hij heeft ons goed geholpen met het theoriedeel over straling
en warmte. Al met al was het een langdurig project, maar heeft het ons tot nieuwe inzichten
gebracht. Een belangrijke les de volgt uit dit project is: “stel dingen niet te lang uit”.