Sterrenstelsels - Corona Borealis | Zevenaar

Sterrenstelsels
Lichtsnelheid
Eigenschappen
!  Sinds eind 19e eeuw is bekend dat de lichtsnelheid:
!  In vacuüm 300.000km/s bedraagt
! 
! 
! 
! 
! 
!  Gemeten met proeven
!  Berekend door Maxwell in zijn theorie over EM golven
De lichtsnelheid in vacuüm constant is
De lichtsnelheid de maximale snelheid in het heelal is
De lichtsnelheid onafhankelijk is van de beweging van de
bron
De lichtsnelheid onafhankelijk is van de beweging van de
waarnemer
De lichtsnelheid is dus in alle richtingen gelijk en
onafhankelijk van de snelheid van de waarnemer
!  Dit was strijdig met de newtoniaanse natuurkunde en
de intuïtie maar was wel het uitgangspunt voor
Einsteins relativiteitstheorie
Lichtsnelheid
Eigenschappen
!  Met de lichtsnelheid kunnen we
!  In 1 seconde 7 keer rond de aarde vliegen
!  Naar de andere kant van de aarde bellen zonder tijd
vertraging
!  Gebeurtenissen om ons heen zien zonder tijdvertraging
!  Bij onweer de lichtflits onmiddellijk zien later gevolgd
door de donder
!  Terugkijken in de geschiedenis van het heelal
!  Sinds 1983 is de lichtsnelheid van 299.792.458 m/s
exact omdat de definitie van de meter hier toen van
afgeleid is: een meter is de lengte van het pad dat het
licht in vacuüm in 1/299.792.458 seconde aflegt.
!  De lichtsnelheid geldt niet alleen voor licht. Ook
zwaartekracht en zwaartekrachtsgolven planten zich
volgens de algemene relativiteitstheorie voort met de
lichtsnelheid
Lichtsnelheid
Kosmische meetlat
!  Maar astronomisch is de lichtsnelheid traag:
!  Tijdens het Apolo project verliep de
communicatie met de astronauten op de
maan traag (2x1,3 sec reactietijd)
!  Licht van de zon heeft 8 minuten nodig om
aarde te bereiken.
!  Als zon nu zou verdwijnen weten we het pas over
8 minuten.
!  Stuursignalen naar Curiosity op Mars doen
er 44 minuten over
!  Signalen van de satelliet Cassini bij Saturnus
doen er 3 uur over om de aarde te bereiken
!  En signalen van en naar de Voyager 1 op 18
miljard km aan de rand van ons zonnestelsel
doen er 30 uur over
Lichtsnelheid
Kosmische meetlat
! 
De dichtstbijzijnde ster Proxima Centauri staat op 40.000.000.000.000 km van de aarde
! 
Rekenen met afstanden in km’s is dus niet meer werkbaar. Daarom werken astronomen met
lichtjaren; de afstand die het licht in vacuum in 1 jaar aflegt: 9.600.000.000.000km
! 
Proxi Centauri staat dus op bijna 4 lichtjaren van de aarde
! 
! 
! 
! 
!  Dit betekent dat het licht dat wij zien dus 4 jaren geleden is verzonden.
!  Wij kijken dus terug in de tijd
Sirius (de helderste ster) staat op 8,6 lichtjaar
Vega staat op 25 lichtjaar
Betelgeuse staat op 500 lichtjaar
ZONDER DE LICHTSNELHEID WISTEN WIJ NIETS OVER DE GESCHIEDENIS VAN DE KOSMOS
Lichtsnelheid
Kosmische meetlat
!  Het dichtstbijzijnde sterrenstelsel, de
Andromeda nevel staat op 2,5 miljoen
lichtjaar
!  Het heelal blijkt gevuld te zijn met
honderden miljarden sterrenstelsels tot
wel 13,2 miljard lichtjaar weg
!  Wij kunnen tot meer dan 13 miljard
jaar terugkijken via een gravitatie lens
!  Een sterrenstelsel op 2 miljard lichtjaar
buigt het licht zodat het als een lens
werkt. Daardoor kunnen we zover kijken
Lichtsnelheid
De barrière
!  De eerste fotonen konden 380.000 jaar na de oerknal
door de ruimte reizen (Cosmic Background Radiation)
!  Toen was de ruimte zodanig afgekoeld dat de electronen
werden ingevangen door protonen. De ruimte werd gevuld
met waterstof en helium en werd transparant.
!  Het eerste licht werd dus 13,8 miljard jaar geleden
uitgezonden. Verder kunnen we dus niet terugkijken. Dat
is de barrière van de lichtsnelheid
Lichtsnelheid
Afstandmeting
!  In 1929 ontdekte Edwin Hubble dat het heelal veel groter was dan onze
melkweg en dat er talloze andere melkwegstelsels waren.
!  Hij ontdekte dat op de Andromeda na alle andere sterrenstelsels van ons af
bewogen
!  Hij ontdekte dat hoe groter de afstand des te sneller bewegen de
sterrenstelsels van ons af. De verhouding tussen snelheid en afstand bleek
zelfs constant te zijn.
!  Door de afstand van een sterrenstelsel door zijn snelheid te delen krijg je het
begin van de expansie. Daar komt bij elk sterrenstelsel 13,8 miljard jaar uit!
Lichtsnelheid
Afstandmeting
!  De lichtsnelheid van 9,6 biljoen km/jaar is een onveranderlijke constante.
Het is dus een SUPERMEETLAT om afstanden te meten.
!  Dit doen we door de zgn ‘roodverschuiving’ te meten (vergelijk met het doppler
effect)
!  Door de expanderende ruimte (bewegen de sterrenstelsels zich van ons vandaan
en) worden de lichtgolven opgerekt
!  Door het oprekken van de golven wordt de golflengte dus langer en verandert de
kleur richting rood.
!  Hoe verder weg des te groter de snelheid van het sterrenstelsel (en de
expansiesnelheid van het heelal) hoe groter de roodverschuiving
!  Oftewel door de golflengte van het licht te meten weten we de snelheid waarmee
het sterrenstelsel zich van ons af beweegt en het percentage oprekking van de
golflengte is gelijk aan het percentage uitdijing van het heelal.
Afstandmeting
Cepheïden
Afstandmeting
!  Type 1A supernova’s
!  Exploderen witte dwerg
als deze meer dan 1,4 x massa
zon wordt door absorptie
massa/botsing companion star.
!  Supernova type 1A produceert dus vaste hoeveelheid
licht.
!  Helderheid van deze supernova is daarom een directe
maat voor de afstand.
!  Het meten van de helderheid van een supernova geeft
ons de afstand tot die supernova op dit moment
•  Licht supernova breidt zich bolvormig uit
•  Uitbreiding bol oppervlak is inclusief uitdijing heelal
•  Licht dat wij nu zien is licht op een boloppervlak dat zich
uitbreidt t.g.v. voortplanting licht en uitdijing heelal
Melkwegstelsel
Herzsprung-RussellDiagram
Lichtsnelheid
Afstandmeting
Zwart gat
Zwart gat
Zwarte Gaten
Zwarte Gaten
•  Algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein
•  Zwart Gat
•  Gebied waaruit niets kan ontsnappen, zelfs licht niet
•  Extreme vervorming van ruimte tijd door zwaartekracht
van zeer compacte enorme massa
•  Singulariteit: oneindige dichtheid van massa in een enkel
punt
•  Rond een zwart gat is
een waarnemingshorizon,
daarbuiten is ontsnapping
wel mogelijk
Zwarte gaten
•  Mitchel (Geoloog) en Laplace (wiskundige) in 1790:
•  Rekenden adv Newton hoe groot een ster moest zijn om een
ontsnappingssnelheid groter dan de lichtsnelheid te krijgen
(onzichtbare sterren)
•  Kort na publicatie van de algemene relativiteitstheorie vond
Karl Schwarzschild met de vergelijkingen hieruit het
zwaartekrachtsveld voor een puntmassa en de
waarnemingshorizon.
!  zwart gat beschreven door slechts drie parameters:
!  Massa
!  Elektrische lading
!  Impulsmoment
Zwarte gaten zijn daarmee de ‘eenvoudigste’ objecten uit de
natuurkunde
Zwarte Gaten
•  Miniatuur zwarte gaten: met afmetingen tussen die van een proton
(10-15m) en de plancklengte (10-35m)
•  Bestaan slechts heel kort
•  Ontstaan door druk van buitenaf
•  Stellaire zwarte gaten (5-100x zonsmassa)
•  Ontstaan uit supernova van zware ster
•  Middelgrote zwarte gaten (100-1000x zonsmassa)
•  Over ontstaan weinig bekend
•  Enkelen ontdekt bv in stelsel M82 op 600 lichtjaar v/h centrum
•  Superzware zwarte gaten (>1.000.000 x zonsmassa)
•  In het centrum van sterrenstelsels
Zwarte gaten
•  Waarnemingshorizon
•  de grens in de tijdruimte die als een ventiel voor licht en
materie werkt
•  die kunnen er alleen van buiten naar binnen doorheen.
•  Waarneming van wat binnen de waarnemingshorizon
geschiedt is dus onmogelijk van buitenaf.
•  Voor een waarnemer ver weg gaat de klok op een object
dat het zware gat nadert langzamer lopen en lijkt het
object dus steeds te vertragen
•  Vlak voor de waarnemingshorizon wordt het object zo
lichtzwak dat het niet meer kan worden gezien (bijna alle
lichtstralen worden afgebogen naar zwart gat)
•  In het object lopen de klokken normaal maar na het
passeren van de waarnemingshorizon treedt spagettizering
op.
Zwarte gaten
•  Waarneminghorizon
•  Is bolvormig
•  Is evenredig met massa
2GM
M
rss = 2 = 2,95
km
c
M zon
€
Zwarte gaten
!  In zwarte gaten (oneindige dichtheid) zullen de klokken
net als bij de lichtsnelheid stilstaan.
!  Bob observeert Alice die in zwart gast valt
!  Bob ziet doordat de tijd bij Alice steeds langzamer gaat
lopen dat de val van Alice vertraagt tot 0. Zij blijft leven
maar voor eeuwig op dezelfde plaats
!  Alice valt en merkt niets van de vertragende tijd tot zij
heel dicht bij de singulariteit komt en door de oneindig
wordende zwaartekracht uit elkaar gereten wordt
Zwarte gaten
•  Rond zwart gat zit een
zgn accretieschijf
•  Materie wordt
uiteengetrokken en
draait steeds sneller
naar binnen
•  Hierdoor neemt de
wrijving toe en gaat
materie röntgenstraling
uitzenden
•  Deze straling is te
detecteren
Zwarte gaten
•  Waar komt die energie toch vandaan?
!  gebruik 1 gram fossiele brandstof om een 100 W
lamp te laten branden verbranden: 16 minuten
!  kernfusie: 30 jaar
!  gooi het op een neutronenster of zwart gat: 6000 jaar
!  accretie van materie op een zwart gat is de meest
efficiënte manier om energie op te wekken
Zwart gat
Het grootst bekende zwarte gat
Melkweg
Kern
Zwarte gaten
!  Met infrarood en adaptieve optica zien we sterren in
een baan om het centrum van de Melkweg
!  met name ster 02 komt vlak langs het centrum
!  we kunnen uit de grootte van de baan en de periode
van de omloop de centrale massa bepalen
GM1 M 2 M 2v 2
v 2r
=
M1 =
2
r
r
G
!  die is ongeveer drie-en-half miljoen zonsmassa’s
!  het centrum is ook een bron van variabele
€
röntgenstraling en€van radiostraling
Banen
hemellichamen
Lichtsnelheid
Eigenschappen
v=±
G∗M
r
!  Als we v en r meten kunnen we M
berekenen
€
!  Als r groter wordt v kleiner
!  Als we op een gewenste r een satelliet
met v laten passeren wordt deze
‘ingevangen’
!  Hemellichamen draaien om een
gemeenschappelijk zwaartepunt
Zwarte gaten
• 
Ongeveer tien procent van alle supermassieve zwarte gaten
ejaculeert jets van plasma, oftewel geïoniseerd gas.
• 
De jets zijn aan beide kanten van een zwart gat te zien.
•  De jets hebben een grote invloed op hoe sterren en
sterrenstelsels zich vormen, omdat ze grote hoeveelheden
kinetische energie (bewegingsenergie) produceren.
• 
Alleen bij zwarte gaten met jets draait de accretieschijf in
een andere richting dan het zwarte gat.
• 
Deze tegendraadsheid veroorzaakt het ontstaan van jets.
•  Door het tegendraadse karakter van het zwarte gat ontstaat
• 
• 
• 
• 
er een gat tussen de schijf en het centrum van het zwarte
gat.
De magnetische velden stapelen zich, waardoor er
voldoende kracht ontstaat om een jet te produceren.
De jets komen uit het midden vanaf waarnemingshorizon,
in 12/2013 bleken jets te bestaan uit electronloze fe en ni
atomen die met 200.000km/s worden uitgestoten.
Om die energie vrij te maken moet het zwarte gat 1
zonsmassa per jaar consumeren
Na 1 miljoen jaar is er dus een zwart gat van 1 miljoen
zonsmassa’s ontstaan.
Zwarte gaten
•  Stephan Hawking toonde in 1974 dat zwarte gaten langzaam moeten
verdampen.
•  Volgens de onzekerheidswetten in de kwantum wereld ontstaan ook op de
• 
• 
• 
waarnemingshorizon voortdurend paren deeltjes en antideeltjes.
Normaal annihileren deze deeltjes vrijwel onmiddellijk zodat energie effect nul
is.
Bij de waarnemingshorizon kan een deeltje in het zwarte gat vallen terwijl het
andere deeltje de ruimte in gaat.
M.a.w. Er komt straling uit
•  Dit wordt ook wel ‘hawkingstraling' genoemd.
• 
• 
• 
• 
De energie hiervoor wordt onttrokken aan het zwarte gat.
Dit wordt iets kleiner.
Hoe kleiner het zwarte gat, hoe groter de kromming van de
waarnemingshorizon en dus hoe sneller dit zal gaan.
Na een tijd kan zo een zwart gat helemaal 'verdampen'.
•  Hawkingsstraling is nog niet in de praktijk aangetoond