Nederlandse Vereniging voor Weer en Sterrenkunde, afd. Arnhem De Melkweg grootschalig bekeken Een draaikolk van licht en materie Nederlandse Vereniging voor Weer en Sterrenkunde, afd. Arnhem

Cursus Overzicht deel 1 4 avonden Het Zonnestelsel Zon , planeten, manen, asteroïden, kometen etc. zo mogelijk een avondwandeling rond de kerk om sterrenbeelden en planeten waar te nemen deel 2 6 avonden “Alles” buiten het Zonnestelsel Melkweg, sterrenstelsels, de levensloop van sterren, kosmologie, de toekomst van het Heelal en relativiteit.

Cursus overzicht deel 2 vanavond 5 De Melkweg grootschalig bekeken Een draaikolk van licht en materie 4 maart 6 Licht in de duisternis Sterlicht als bron van informatie 11 maart 7 Het levensverhaal van sterren Over de geboorte, het leven en het sterven van sterren 18 maart 8 De oorsprong van het Heelal Een oerknal als schepper van materie, ruimte en tijd 25 maart 9 Op weg naar het einde der tijden Over de verre en donkere toekomst van ons Heelal 1 april 10 Een inleiding in de speciale relativiteitstheorie Over de vervorming van ruimte en tijd

Overzicht cursusavond 5 Inleiding sterren en sterrenbeelden de Melkweg de Zon als één van de miljarden sterren in de Melkweg opbouw, grootte en samenstelling van de Melkweg Sterrenstelsels classificatie en evolutie van sterrenstelsels botsingen van sterrenstelsels

Sterren aan de nachtelijke hemel Pollux stier Sterren aan de nachtelijke hemel tweelingen Aldebaran kleine hond orion Procyon Sirius grote hond

Sterren Er zijn ca. 2000 tot 5000 voor het blote oog zichtbare sterren ruwe schatting! afhankelijk van aanwezigheid van strooilicht maar ook van de kwaliteit van het oog Er zijn ca. 7 1022 = 70.000.000.000.000.000.000.000 sterren in het hele universum! gelijk aan aantal zandkorrels op alle stranden van de Aarde (keer tien?, keer honderd?)

Sterrenbeelden Er zijn 88 sterrenbeelden waarvan 12 tekens van de dierenriem Zichtbaarheid hangt af van positie op Aarde en van positie van Aarde

Orion Betelgeuze Bellatrix Mintaka Alnilam Alnitak Na’ir al Saif Rigel Saiph

Riem van Orion Alnitak – Alnilam – Mintaka

Classificatie van sterren Sterren worden vaak genoteerd met code die refereert aan sterrenbeeld. De sterren krijgen aanduidingen met letters uit Griekse alfabet: α, β, γ ... De helderheid wordt bepaald door de volgorde in alfabet (meestal) Voorbeelden: Betelgeuze: α-Ori in sterrenbeeld Orion Deneb: α-Cyg (Cygnus) in sterrenbeeld Zwaan Pollux: β-Gem (Gemini) in sterrenbeeld Tweelingen Helderste ster aan de hemel: Sirius α-CMa (Canis Major) in sterrenbeeld Grote Hond

Orion

Orion in 3D Verst weg: Alnilam en Na’ir al Saif op ca. 1300 lj Dichtst bij: Bellatrix op 240 lj

Is de sterrenhemel statisch? Alcor Alkaid Alioth Dubhe Mizar Megrez Sterren en sterrenbeelden komen op en gaan onder door draaiing van de Aarde. De vorm van de sterrenbeelden blijft onveranderd. Is het (zichtbare) universum dus statisch? Nee: Sterren hebben allemaal verschillende snelheden van ca. 1 km/sec tot > 100 km/sec ! Phad Merak Grote Beer Grote Beer van 100.000 BC tot 100.000 AD

Afstandsmaten het lichtjaar lichtsnelheid = 299.792,5 km/s (in vacuüm) lichtjaar = “de afstand die het licht in 1 jaar aflegt” = 9.460.730.472.581 km dichtstbijzijnde ster : Proxima Centauri staat op 4,22 lichtjaren afstand Aarde-Maan : ca. 1 lichtseconde  300 duizend km afstand Aarde-Zon : ca. 8,5 lichtminuten  150 miljoen km

Afstandsmaten de parsec Afstand tot ster wordt bepaald door parallaxhoek p Hoe kleiner de hoek, hoe groter de afstand Parallaxhoek p wordt uitgedrukt in : boogseconden Iedere graad bestaat uit 60 boogminuten 1° = 60' Iedere boogminuut uit 60 boogseconden 1' = 60''

Afstandsmaten de parsec parsec = “de afstand tot een ster die een parallaxhoek van precies 1 boogseconde heeft” = 3,09 1011 km 1 parsec = 1 pc  3,26 lichtjaar parsec (pc) en kilo parsec (kpc = 1.000 pc) en mega parsec (Mpc = 1.000.000 pc) zijn afstandsmaten die doorgaans door professionele astronomen gebruikt worden.

Omgeving van de Zon dichtstbijzijnde sterren: Proxima Centauri 4.22 lj. α Centauri (2X A en B) 4.36 lj. Barnard’s star 5.95 lj. Wolf 359 7.77 lj. Lalande 21185 8.28 lj. Sirius (2X A en B) 8.57 lj. 3 sterren binnen bol met diameter 10 lj. 11 sterren binnen bol met diameter 20 lj. 51 sterren binnen bol met diameter 30 lj. 100 sterren binnen bol met diameter 38.9 lj.

De Melkweg

De reis begint ..... in ons zonnestelsel Mercurius Jupiter Venus Saturnus Aarde Uranus Mars Neptunus

Het zonnestelsel

De Melkweg

Wij zijn hier!

http://www.rickrichards.com Wij zijn hier!

De spiraalarmen van ons Melkwegstelsel Centaurus ook: Scutum – Crux Sagittarius - Carina (Orion) Perseus Norma - Cygnus ook: Outer arm

Opbouw Melkweg Kern balkvormig Schijf Stellaire Halo (afgeplatte bol) centraal zwart gat met massa van ca. 2.6 miljoen zonnen Schijf diameter: > 100.000 lj (sterren) > 150.000 lj (gas) dikte: 1.000 lj (gas/stof) 2.000 lj (sterren dunne schijf) >4.000 lj (sterren dikke schijf) Stellaire Halo (afgeplatte bol) diameter: > 130.000 lj met o.a bolvormige sterhopen Donkere materie Halo & Corona (hete gassen) diameter: ca. 350.000 lj

Donkere Materie Halo

De massa van de Melkweg Totale massa ca. 1012 zonsmassa’s = 1012 MΘ = één triljard zonsmassa’s ( NB: 1 MΘ = 2 1030 kg ) 90% daarvan is donkere materie niet direct detecteerbaar alleen via zwaartekrachts-invloeden van de 10% detecteerbare massa bestaat : 90% uit sterren (geschat aantal ca. 200 miljard = 2 1011) 10% uit gas (hoofdzakelijk waterstof / helium) 0,1% uit stof Halo donkere materie (bevat dus bijna alle massa) ~ 1012 MΘ Schijf ~ 1011 MΘ Kern ~ 1010 MΘ Halo stellair ~ 109 MΘ Corona ~ 108 MΘ

Ons zonnestelsel in de Melkweg 1. Vlak van zonnestelsel staat vrijwel loodrecht op vlak van melkweg! (hoek : 86,5°) 2. De aardas maakt een hoek van ca. 23,5° met vlak van zonnestelsel. 3. De galactische schijf maakt een hoek van 86,5 – 23,5 = 63° met het equatorvlak van de Aarde.

Galactische coördinaten galactische coördinaten beschrijven positie van object (ster) t.o.v. galactisch vlak twee coördinaten: galactische lengte (l) van 0° naar 360° galactische breedte (b) van -90° tot 90° NB afstand tot object is hiermee nog niet vastgelegd! NB Melkweg draait in de richting van l = 90°.

Baan van zonnestelsel in Melkweg Ons zonnestelsel draait als geheel rond kern van Melkweg (net als alle andere sterren in de schijf). baansnelheid ca. 217 km/s periode ca. 225 miljoen jaar Dus sinds ontstaan van de Zon (ca. 4,5 miljard jaar geleden) is de Zon nog maar 20 keer rond gegaan. Vergelijk dit met de baan van de Aarde rond de Zon! periode tussen 2 vlak-passages ca. 34 miljoen jaar maximale afstand tot midden van vlak ca. 230 lj (baan valt binnen dunne schijf, zelfs binnen gas/stofschijf)

Spiraalarmen van de Melkweg Spiraalarmen zijn dichtheidsgolven die zich door de schijf voortplanten. Spiraalarmen bewegen zich langzamer voort dan de sterren en de stof- en gaswolken. Alle materie wordt afgeremd bij nadering en binnentreden van spiraalarmen (file!). Gaswolken comprimeren en nieuwe sterren worden gevormd. Hierdoor lichten de spiraalarmen op. Oude en nieuwe sterren verlaten de spiraalarm weer aan de andere kant. Ontstaan van dichtheidsgolven niet zeker: invloed van naburige stelsels? invloed van kern?

Rotatie van sterren in de schijf De sterren hebben (met uitzondering van de kern) allemaal ongeveer dezelfde snelheid rond kern van Melkstelsel: 200 km/s - 250 km/s De omlooptijd is dus wel verschillend: differentiële rotatie Rotatie in ons zonnestelsel ziet er heel anders uit!

Oorzaak van rotatie Gravitatie-kracht (van Isaac Newton). Gravitatiekracht is aantrekkings-kracht tussen twee massa’s. Kracht is evenredig met massa’s en omgekeerd evenredig met afstand in het kwadraat. Binnen het zonnestelsel zit vrijwel alle massa in de Zon (in centrum). Binnen de Melkweg is de massa veel meer verdeeld over de schijf.

Donkere materie De rotatiecurve van ons Melkwegstelsel leert ons hoeveel massa er in het Melkwegstel zit! Dit is echter veel meer dan het aantal sterren dat we kunnen zien of schatten. A: verwachte rotatiecurve alleen op basis van zichtbare materie (sterren) B: waargenomen rotatiecurve Dit is één belangrijke aanwijzing voor het bestaan van donkere materie. Rond de Melkweg wordt verondersteld aanwezig te zijn een halo van donkere materie.

Galactisch centrum slecht zichtbaar door stofwolken de “balk” heeft een diameter van ca. 6.500 lichtjaar en een lengte van 20.000 lichtjaar; de Melkweg is een balk-spiraal stelsel in centrum zit een compact, massief “zwart gat” van 2.6 miljoen zonsmassa’s aangeduid met Sagittarius A* (Sgr A*) (straal is enkele malen de afstand Aarde-Zon) Sgr A* is een belangrijke bron van radio-straling en röntgenstraling. Een aantal jonge sterren draait in rel. korte tijd (enkele jaren) rond Sgr A*

Stellaire Halo Bevolkt door ca. 200 bekende “bolhopen” maar ook veel losse sterren. Bolhopen zijn bolvormige “hopen” van tienduizenden tot miljoenen sterren “op een kluitje”. Sterren en bolhopen roteren niet mee met de schijf maar bewegen in eigen banen rond de kern van het Melkwegstelsel.

Stellaire Halo M55 Credit: B.J. Mochejska (CfA), J. Kaluzny (CAMK), 1m Swope Telescope

Grootste “bolhoop” in Melkweghalo > 10 miljoen sterren Omega Centauri Grootste “bolhoop” in Melkweghalo > 10 miljoen sterren

Bolhopen zijn symmetrisch en bolvormig bevatten enkele tienduizenden tot enkele miljoenen sterren hebben diameters van minder dan 200 lichtjaar alle bolhopen samen bevatten ca. 1% van alle sterren in de Halo: de meeste sterren in de Halo zijn dus “los” behoren tot de oudste objecten in de Melkweg (ouder dan 10 miljard jaar) en waren waarschijnlijk al aanwezig voordat de schijf zich vormde hebben een dichte stapeling van sterren: enkele sterren per kubieke lichtjaar gemiddelde afstand in kern: 0.1 - 0.3 lichtjaar (in de omgeving van de Zon is de dichtheid 0,02 sterren per kubieke lichtjaar) botsingen tussen sterren in bolhopen is nog steeds zeldzaam, maar niet helemaal ondenkbeeldig meer!

Populaties van sterren (1) De meeste sterren zijn opgebouwd uit waterstof en helium (de twee lichtste elementen). Sterlicht geeft informatie over welke en hoeveel zwaardere elementen zich in de atmosfeer van de ster bevinden. De metalliciteit Z van een ster wordt gedefinieerd door de fractie zwaardere elementen in de atmosfeer van een ster: Onze Zon heeft Z = 0,02: 2% van de massa van de Zon komt van elementen zwaarder dan helium!

Populaties van sterren (2) Op basis van hun positie in de Melkweg worden sterren ingedeeld in populaties: Populatie I sterren In de schijf van de Melkweg Jonge en oude sterren met een metalliciteit van Z = 0,01 - 0,04 Sterren met een “nette” cirkelvormige baan rond centrum van de Melkweg Populatie II sterren In de Halo (bolhopen!) en de Kern van het Melkwegstelsel Oude tot zeer oude sterren! Metalliciteit is laag: Z < 0,02 Sterren met chaotische eigen banen rond het centrum van de Melkweg Laagst gemeten metalliciteit: Z = 2 10-6 Populatie III sterren Hypothetische populatie Sterren bestaande uit waterstof/helium verdeling zoals voortgekomen uit de Big Bang met nauwelijks zwaardere elementen (Z ~ 10-9) Dergelijke sterren zijn nog nooit waargenomen!

Populaties van sterren (3) Gedurende het bestaan van het Heelal wordt het aanwezige gas steeds rijker aan zwaardere elementen. Jonge sterren worden gevormd uit samentrekkende gaswolken. De metalliciteit geeft dus een indicatie van de leeftijd van een ster. Indeling van sterren op basis van positie en metalliciteit laten zien dat: sterren in de Melkweg niet allemaal op zelfde moment zijn ontstaan dat de onderdelen van de Melkweg zelf (Halo, bolhopen, schijf, kern) een verschillende ontstaansgeschiedenis hebben doorgemaakt.

Centrale vraag in de jaren 20 van de vorige eeuw: Omvat de Melkweg het hele Heelal of is er buiten de Melkweg nog meer te vinden? Het antwoord op deze vraag kwam uiteindelijk van Edwin Hubble: Buiten de Melkweg zijn er in het Heelal nog HONDERDEN MILJARDEN andere sterrenstelsels Onze Melkweg is in feite maar een nietig eilandje in het Heelal

Sterrenstelsels

Indeling sterrenstelsels Elliptische stelsels ca. 60% Spiraalstelsels & lensvormige stelsels < 30% met balk en zonder balk Onregelmatige stelsels < 15% Lensvormige stelsels kunnen worden opgevat als spiraalstelsels “zonder spiralen”

Indeling sterrenstelsels Bevolkingsrijke stercluster Veel heet gas

Melkweg is spiraalstelsel Melkweg is balk-spiraalstelsel van type SBbc Helderheid van het Melkwegstelsel is ca. LMW = 2 1010 LΘ, d.w.z. staat gelijk aan de helderheid van 20 miljard zonnen.

Spiraal stelsels < 30% van alle stelsels grootte: 0.02 - 1.5 dMW plaatje: NGC 1300 afstand 69 miljoen lichtjaar! (in sterrenbeeld Eridanus) diameter balk: 150.000 lj! < 30% van alle stelsels grootte: 0.02 - 1.5 dMW verhouding gas / sterren: ca. 5% - 15% helderheid 109 – 1012 LΘ

Spiraalstelsels Banen van sterren in spiraal- stelsels zijn geordend: In de kern van spiraalstelsels zij de banen van sterren chaotisch! In de armen (spiralen) van spiraalstelsels komt veel gas en stof voor. Dit zijn bij uitstek gebieden waar nieuwe sterren worden gevormd.

Credit: NASA/JPL-Caltech/K. Gordon/S. Willner/N.A. Sharp

Elliptische stelsels 60% van alle stelsels grootte: 0.01 - 5 dMW nauwelijks gas: ca. 1% (zeer heet, geïoniseerd) helderheid 105 – 1011 LΘ plaatje: ESO 325 – G004 (in Centaurus) afstand 463 miljoen lichtjaar! (in de Abell cluster S0740) massa: 1011 MΘ diameter: 2dMW

Elliptische stelsels Ellips zoals we tegen een elliptisch stelsel aankijken ellipticiteit: f = (b-a)/b stelseltype: E0 t/m E7 (E0 = rond; E7 zeer ellipsvormig) Ex met x = 10f b a c Ellipsoïde “3-dimensionale ellips” zoals een elliptisch stelsel in werkelijkheid is!

Elliptische stelsels Banen van sterren in elliptische stelsels zijn chaotisch: In elliptische stelsels komt zeer weinig gas en stof voor. Er is (dus) nauwelijks stervorming in elliptische stelsels.

Onregelmatige stelsels < 15% van alle stelsels grootte: 0.05 - 0.25 dMW verhouding gas / sterren: 15 – 25% (massa) helderheid 107 – 1010 LΘ plaatje: NGC 6822 of “Barnard’s galaxy” in Lokale Groep afstand is 1.6 miljoen lichtjaar met veel wolken met geïoniseerde waterstof

Evolutie van sterrenstelsels

Ontstaan van sterrenstelsels Oerknaltheorie: Het heelal is 13,7 miljard jaar geleden uit een “oerknal” ontstaan. Uit waarnemingen blijkt dat de eerste sterren zich al ca. 300 miljoen jaar na de oerknal hebben gevormd. De eerste sterrenstelsels volgden enkele honderden miljoenen jaren later. De eerste sterrenstelsels zijn in iedere geval klein, met een beperkt aantal sterren (miljoenen geen miljarden) en een beperkte omvang, ca. eenhonderdste tot eenduizendste van de Melkweg.

Evolutie door samensmelting Kleine stelsels botsen en vormen grotere stelsels. Na botsingen worden elliptische stelsels gevormd. Elliptische stelsels kunnen gas- en stofwolken uit de intergalactische ruimte “invangen” en deze vormen dan een schijf met spiraalarmen. Zo transformeren elliptische stelsels in spiraalstelsels. Zonder invang van gas en stof blijven elliptische stelsels onveranderd.

Consequenties van evolutie door samensmelting Gedurende de tijd worden steeds grotere stelsels gevormd. De theorie verklaart gemakkelijk dat de kern van spiraalstelsels oude sterren bevat en dat de sterren in de spiraalarmen veel jonger zijn. Door de expansie van de ruimte worden botsingen steeds zeldzamer en wordt het ook steeds minder vanzelfsprekend dat elliptische stelsels in spiraalstelsels transformeren. Het uiteindelijke resultaat zal zijn dat er alleen grote elliptische stelsels overblijven (D en cD stelsels). Vermoedelijk heeft de Melkweg al langere tijd geen botsingen meer ondergaan. Na een ontmoeting met het Andromeda-stelsel kan één reuzen elliptisch stelsel gaan ontstaan.

Botsingen van sterrenstelsels NGC 2207 (rechts, D = 143.000 lj) en IC 2163 (rechts, D = 100.000 lj). Afstand: 114 miljoen lichtjaar. Proces van botsing en samensmelting duurt vele honderden miljoenen jaren

Botsingen van sterrenstelsels Numerieke simulatie van 2 botsende sterrenstelsels. de tijd loopt in eenheden van 250 miljoen jaar t=0: eerste ontmoeting van de stelsels; t=3 samensmelting van de stelsels schijven: blauw kernen: geel halo donkere materie: rood filmpje 1: situatieschets van de positie van de twee stelsels t.o.v. elkaar 250 miljoen jaar vóór de eerste ontmoeting (t=0) filmpje 2: de botsing in beeld van t=0 tot t=4 filmpje 3: situatieschets op t=1,5 (ca. 125 miljoen jaar na eerste ontmoeting) filmpje 4: de botsing in beeld van t=2 tot t=6 filmpje 5: situatieschets op t=6 (ca. 750 miljoen jaar na samensmelting op t=3) Computer simulations and video production were performed at the Pittsburgh Supercomputing Center (PSC). My thanks to Joel Welling and Anjana Kar at PSC for help in generating the videos.

Botsing van de Antennae stelsels op een afstand van 63 miljoen lichtjaar in sterrenbeeld de Kraai onder: detail van botsing geboorteplaats van miljarden nieuwe sterren

Botsingen met ons Melkwegstelsel? (1) De laatste significante botsing die de Melkweg heeft meegemaakt ligt waarschijnlijk meer dan 10 miljard jaar achter ons. Maar .... in de toekomst wacht ons een botsing met de Andromeda nevel. De botsing wordt verwacht over 3 miljard jaar. Nu staat Andromeda nog op 2.2 miljoen lichtjaar afstand, maar Andromeda nadert met 500.000 km/uur!

Botsingen met ons Melkwegstelsel? De bogen bevatten de restanten van sterrenclusters die inmiddels door ons Melkwegstelsel opgegeten zijn. De grote boog is wellicht afkomstig van een heus dwerg sterrenstelsel. De kleinere bogen zijn waarschijnlijk grote bolhopen geweest. Het komt misschien als een schok, maar ons Melkwegstelsel is momenteel ook in een botsing verwikkeld! Met het Sagittarius dwergstelsel!

grote Magelhaense Wolk β-Centauri (Hadar) 490 lj. Zuiderkruis α-Centauri 4.4 lj. kolenzaknevel grote Magelhaense Wolk kleine Magelhaense Wolk Komeet: McNaught jan-feb 2007 (niet-periodieke komeet) foto: Miloslav Druckmüller

Tenslotte ..... een filmpje De Melkweg en zijn belangrijkste begeleiders: Grote Magelhaense wolk LMC op 179.000 lj. Kleine Magelhaense wolk SMC op 200.000 lj. Gezien vanaf observatorium in Paranal (Chili) (niet met de VLT zelf) Tevens te zien diverse sterrenbeelden, zoals Orion en Zuiderkruis (Crux)

Fin

Evolutie van actieve stelsels naar normale stelsels Ontstaan van zwarte gat in centrum van meeste sterrenstelsels is nog onduidelijk. In jonge fase van stelsel is er nog veel gas en stof in het centrum waarmee het centrale zwarte gat “gevoed” kan worden. Uiteindelijk eet het zwarte gat zijn omgeving leeg en resulteert een normaal sterrenstelsel (van quasar naar Seyfert stelsel naar normaal stelsel). Actieve stelsels worden daarom meestal alleen op zeer grote afstanden waargenomen (de beelden die we daarvan ontvangen dateren van jonge Heelal). Alleen door botsingen van stelsels kan opnieuw gas en stof naar één der zwarte gaten geslingerd worden: door de botsing kan daardoor het nieuw ontstane stelsel weer “actief” worden.

(Tweede) indeling sterrenstelsels “Normale” sterrenstelsels “Actieve” sterrenstelsels Seyfert stelsels (ontdekt in 1943) Quasars (ontdekt in 1963) Radio stelsels (in de 40’er jaren) Blazars (in de 70’er jaren)

Actieve sterrenstelsels gemeenschappelijke eigenschap: zeer sterke straling vanuit het centrum van het stelsel (o.a. infrarood, radio- straling, zichtbaar licht) stralingsintensiteit is vaak periodiek (niet constant) Seyfert stelsel (NGC 7742), kern is zeer helder in zichtbaar licht afstand: 72 miljoen lj

Kern (AGN) van actieve sterrenstelsels gemeenschappelijke vorm: centrum: zeer zwaar zwart gat “radio” jets radio lobben stof torus accretieschijf AGN = “active galactic nucleus” artists impression

Typen van actieve sterrenstelsels type actief stelsel afhankelijk van: intensiteit van de kern én hoek van waarneming! ←Blazar ←Seyfert, Quasar ←radio stelsel

D en cD stelsels Massieve elliptische stelsels in centra van clusters van sterrenstelsels D staat voor diffusief vanwege de diffuse halo’s M87 (in centrum van Virgo cluster) radio stelsel // elliptisch stelsel afstand: 52 miljoen lj bevat ca. 12000 bolhopen! lengte vd jet: ca. 5000 lj. zwart gat: 3 miljard zonsmassa’s

Omgeving van de Zon