Nederlandse Vereniging voor Weer en Sterrenkunde, afd. Arnhem Op reis naar het einde der tijden Donker, leeg en koud Nederlandse Vereniging voor Weer en Sterrenkunde, afd. Arnhem

Overzicht cursusavond 9 Toekomst van ons zonnestelsel Aarde: eerst globale opwarming, daarna eeuwige afkoeling Zon: rode reus, witte dwerg, zwarte dwerg Het vijandige Heelal gevaren op Aarde: klimaat, driften van continenten, vulkanisme gevaren vanuit zonnestelsel: aardscheerders, een onrustige Zon gevaren vanuit Heelal: bijna botsingen met andere sterren, supernova’s, gammaflitsen, botsingen met Melkwegstelsel Toekomstscenario’s van het Heelal Eeuwige uitdijing of inkrimping Het “Big Freeze” model zwarte gaten elementaire deeltjes

De toekomst van ons zonnestelsel

In de Aardse geschiedenis 4,5 miljard jaar geleden ...... De proto-Zon verlicht de met stof, steen en gas gevulde atmosfeer van de proto-Aarde. In de Aardse geschiedenis

In de Aardse geschiedenis 4 tot 4,5 miljard jaar geleden ...... Een nog zeer jonge Maan draait haar eerste banen dichtbij moeder Aarde, die vol is van vulkanische activiteit. Inslaande kometen ‘brengen’ grote hoeveelheden water naar de Aarde

In de Aardse geschiedenis 3,5 tot 4 miljard jaar geleden ...... De Maan komt geleidelijk steeds verder van de Aarde af te staan en de Aardse atmosfeer wordt steeds helderder.

De Aarde: nu! heden ...... Vanaf de Aarde is de Melkweg fraai te zien.

Onze Zon in haar nadagen als hoofdreeksster over ca. 1 miljard jaar ...... De Zon wordt minimaal 10% heter en leven op Aarde wordt onmogelijk! Door de toenemende hitte wordt de koolstofcyclus verstoord en zal er veel meer CO2 en ook sulfaten in de lucht komen: broeikaseffect. Hierdoor verdampen de oceanen waardoor waterdamp (ook broeikasgas) het alleen nog maar erger maakt: met een zwavelzuur-atmosfeer (zoals op Venus). Onze Zon in haar nadagen als hoofdreeksster

Illustratie: Edwin Mathlener

Even respijt op Mars? over 500 miljoen jaar tot 1,5 miljard jaar ...... Mars warmt ook op en mogelijk vormen zich ondiepe “oceanen” van water dat momenteel in de bodem als ijs is opgeslagen. Maar Mars is klein en licht en de druk in de Marsiaanse atmosfeer blijft laag. De vrijkomende gassen (CO2 en H2O) zal Mars niet kunnen vasthouden en de (relatief) ondiepe oceanen zullen verdampen.

Onze Zon als Rode Reus over ca. 5 miljard jaar.... Het waterstof in de kern van de Zon raakt op en de Zon zwelt op tot rode reus. Daardoor neemt de helderheid honderden malen toe! Mercurius wordt in de Zon opgenomen. De Aarde is inmiddels een verschroeide planeet zonder oceanen met oppervlakte-temperaturen van tegen de 1000 graden. Onze Zon als Rode Reus

Onze Zon als Rode Reus over 5 tot 6 miljard jaar.... De Zon gaat over op waterstof-schilverbranding en helium verbranding in de kern. De Zon ontdoet zich van haar buitenlagen en kan wel tot een derde van haar massa verliezen, daarbij haar grip op de Aarde en andere planeten verliezen die in een veel wijdere baan komen rond de Zon. De binnenplaneten raken hun atmosfeer kwijt.

Illustratie: Edwin Mathlener

Inferno op Aarde over 6,5 miljard jaar.... De Zon gaat over op waterstof-schilverbranding en helium schil-verbranding. Gesteente op Aarde gaat smelten: inferno op Aarde. Inferno op Aarde De Zon is 10.000 keer helderder dan nu. Uiteindelijk worden de laatste resten waterstof in de buitenlagen verbrand waardoor de Zon zeer heet gas met enorme snelheden (> 1500 km/s) naar alle richtingen zal wegblazen. Dit gas haalt de eerder weggeblazen materie in en doet deze opgloeien tot een planetaire nevel, die zich verder naar buiten blijft uitdijen met enkele tientallen km/s.

Koud en donker…. over 7 miljard jaar....en later De resterende kern van de Zon wordt een witte dwerg: zeer heet, maar kernfusie is gestopt en dus kan de dwerg alleen nog maar afkoelen. Het afkoelproces kan bijna biljarden jaren duren totdat de Zon niet meer zichtbaar zal zijn: zwarte dwerg! Koud en donker…. De Aarde staat ver weg van de Zon, die nu net zo groot is als Venus maar wel vele malen helderder. Op Aarde wordt het ca. -200°C en het gestolde gesteente wordt glasachtig van structuur. De Aarde koelt geleidelijk steeds verder tot uiteindelijk nog maar enkele graden boven het absolute nulpunt.

Het vijandige Heelal

Klimaat De Aardse geschiedenis het vele hete en zeer koude perioden meegemaakt. Welke mechanismen sturen ons klimaat? Onze Zon en mogelijk ook onze positie in het Melkwegstelsel zijn belangrijke factoren. KOSMOKLIMATOLOGIE

Temperatuur en CO2 in de oudheid

Temperatuur op Aarde de laatste ca. 400.000 jaar In recente geschiedenis is de Aarde periodiek koud (100.000 jaar) met korte, interglaciale perioden van enkele 10.000’en jaren. We zitten nu in een interglaciaal. 10.000 jaar geleden warmde de Aarde op van de laatste ijstijd en over 10.000 jaar zijn we wellicht hard op weg naar de volgende ijstijd.

Variaties in de positie van de Aarde Milankowitch cycli Eccentriciteit: Precessie-hoek: Precessie:

Temperatuur op Aarde de laatste ca. 5.000 jaar Meer recent zijn relatief warme en koude periodes goed te onder-scheiden

Stabilisatie van de Aarde door de Maan De maan stabiliseert de Aarde en zorgt o.a. Voor een stabiele tilt-hoek die momenteel 23.4° is. Maar de maan trekt zich langzaam terug (ca. 3.8 cm/jaar) en verliest haar grip op de Aarde. Na 1.5 – 4.5 miljard jaar zal de Aarde veel grotere precessie-hoeken krijgen tot wel 90° aan toe. Gevolg: zeer ernstige verstoringen van klimaat!

Vulkanisme Yellowstone Park Drie caldera’s gevormd in de laatste 2 miljoen jaar. Wanneer is de volgende klap? Lava Creek Tuff Huckleberry Ridge (2.1 miljoen jaar geleden Mesa Falls (1.3 miljoen jaar geleden) Lava Creek (0.63 miljoen jaar geleden) 2 1 3

Momenten van uitsterven De Aarde heeft vele momenten van uitsterven gekend waarbij zeer veel diersoorten ‘plotseling’ uitstierven. In een aantal gevallen zal de oorzaak van dit uitsterven extern (vanuit de ruimte) gezocht moeten worden. Externe oorzaken kunnen bijvoorbeeld te maken hebben met: de baan van de Zon in de Melkweg (cyclische passage van Melkwegschijf) passage van een andere ster nabije supernova’s / gammaflitsen etc.

Aardscheerders

Aardscheerders Asteroïden of kometen die de Aarde één of meerdere malen van dichtbij passeren. Engels: NEO = Near Earth Objects NEA = Near Earth Asteroids NEC = Near Earth Comets Kortste afstand tussen aardscheerder en Aarde wordt meestal uitgedrukt in: LD = Lunar Distance of ED = Earth Diameter! LD = 5 betekent op 5 keer de afstand Aarde-Maan is ca. 5X385.000 = 1.9 milj. Km. (vgl: AU = Astronomical Unit = afstand Aarde – Zon = ca. 150 miljoen km) Het gevaar van een aardscheerder hangt af van: de geschatte afstand Aarde – aardscheerder (meestal vele LD’s) de grootte (of massa) van de aardscheerder (diameter van enkele tientallen meters tot enkele kilometers) (de relatieve snelheid van de aardscheerder) (van enkele km/s tot enkele tientallen km/s) (de nauwkeurigheid waarmee de baan van de aardscheerder bekend is)

Mogelijk gevaarlijke aardscheerders PHA = Potentially Hazardous Asteroids Vereist: passage-afstand tot Aarde < 0.05 AU (< ca. 20 LD) abs. helderheid M < 22 (diameter > 150 meter) Torino schaal “van gevaar” 0 = kans op botsing is nul: geen gevaar 1 = kans op botsing extreem klein 2 t/m 4: extra aandacht van astronomische wereld vereist 5 t/m 7: dreigende situatie 8 t/m 10: inslag is zeker met regionale tot globale gevolgen Er zijn momenteel 1094 mogelijk gevaarlijke asteroïden bekend. Alle ‘mogelijk gevaarlijke’ aardscheerders bevinden zich in Torino klasse 0, slechts één bevindt zich in klasse 1. (alleen voor passages de komende eeuw)

Gevaarlijke aardscheerders 2007 KV 184 in Torino schaal 1 Gemiddelde diameter ca. 130 m. Passeert de Aarde op 3 juni 2048 op een geschatte afstand van ca. 5000 km Kans op botsing met de Aarde is maximaal 0.033% DA 1950 Asymmetrische asteroide met gemiddelde diameter van 1.1 km In één van de twee bestaande scenario’s is de impact kans op 18 maart van het jaar 2880 Ongeveer 1 op 300 (0.33%). Apophis Astroide ontdekt in 2004 met diameter van ca. 260 meter. Recordhouder op de Torinoschaal: 4 punten (inmiddels 0). Impact kans op 13 april 2036 is ca. 1 op 250.000. Passage vermoedelijk op 30.000 km afstand. Russen studeren op een mogelijkheid om Apophis met kernenergie uit haar baan te stoten.

Impact frequentie

Een wilde Zon Rode dwerg Lacerta op 16 lj afstand. ca. 1% helderheid Zon ca. 30 % massa Zon artist impression produceerde monster zonnevlam op 25 april 2008 gelijk 1000 zonnevlammen van onze Zon

Dwergster Gliese 710 passeert op ca. 1 lichtjaar afstand Gliese 710 passeert over ca. 1.4 miljoen jaar onze Zon op korte afstand en kan daarbij de Oortwolk verstoren en kometen en ander tuig onze kant opsturen!

Leven op Aarde kan leiden tot een snelle en pijnlijke dood. Nabije supernova’s Een supernova binnen een straal van ca. 100 lichtjaar heeft merkbare effecten op Aarde. Een supernova binnen een straal van ongeveer 30 lichtjaar kan desastreuze gevolgen voor het leven op Aarde hebben. Kans op een dergelijke gebeurtenis varieert van eens per 100 miljoen jaar tot eens per 10 miljard jaar. Gevolgen: vernietiging ozonlaag, en daarmee bedreigend voor diverse levensvormen. Sterke gammastraling! Huidige kosmische straling gedeeltelijk afkomstig van oude, ver weg gelegen supernova’s! Leven op Aarde kan leiden tot een snelle en pijnlijke dood. Supernova kandidaten: o.a. HR 8210 (150 lj), Spica (260 lj), Betelgeuze (427 lj) Het is niet de vraag of er zich ooit nog een ramp op Aarde zal voordoen, maar wanneer .....

Toekomstige Supernova in ons Melkwegstelsel? Supernova-kandidaat voor de toekomst: Eta-Carinae afstand 7500 lj Eta-Carinae heeft een geschatte massa van tussen de 100 en 150 zonsmassa’s en kan binnen onze generatie tot een supernova of hypernova komen! Afgelopen eeuwen maakte de ster een turbulent leven door, met grote helderheidsfluctuaties en een piek in de helderheid in 1843. Eta-carina: bi-polaire massa-uitstoot op weg naar Wolf-Rayet ster, supernova of zelf hypernova?

Leven op Aarde kan dodelijk zijn. Gammaflitsen Het ontstaan van een zwart gat uit een ineenstortende kern gaat waarschijnlijk gepaard met een gammaflits. Meest energierijke explosies in Heelal sinds de Big Bang! nabije gammaflitsen: bedreiging voor (leven op) Aarde op 6000 lj: massaal uitsterven op 1000 lj: 100.000 Mton nucleaire explosie op 100 lj: Aardse atmosfeer weggeblazen op 4,2 lj: volledige vernietiging van de Aarde Leven op Aarde kan dodelijk zijn.

Andromeda arriveert ….. over 3 tot 5 miljard jaar.... Melkweg en Andromeda gaan botsen in de toekomst, over 3 tot 5 miljard jaar. Mogelijk dat dan alle leven al is uitgeroeid door de hitte van onze zon.

Leven op Aarde kan dodelijk zijn. Botsing met Andromeda Leven op Aarde kan dodelijk zijn. De Zon zou weggerukt kunnen worden en daarbij de baan van Aarde volledig laten veranderen. Saturnus zou bijvoorbeeld in onze achtertuin terecht kunnen komen ..... Dit is vanzelfsprekend zeer levensbedreigend. Het is niet de vraag of er zich ooit nog een ramp op Aarde zal voordoen, maar wanneer .....

Toekomstscenario’s van het Heelal

Kosmologische scenario’s van 10 jaar geleden Oneindige Uitdijiing Of Totale Ineenstorting (Big Crunch)

Hedendaagse scenario’s Big Freeze oneindige en versnelde uitdijing Big Rip uitelkaar scheuren van de ruimte Big Crunch totale ineenstorting Big Bounce cyclische ineenstorting en expansie

Big Crunch Big Bounce

Big Rip Big Freeze

Het “Big Freeze” scenario

Geschiedenis en toekomst van Heelal in 5 periodes Kosmologische decade:  Laat T de verstreken tijd zijn in jaren uitgedrukt als: Momenteel:  = 10 1 Primordial Era 2 Stelliferous Era 3 Degenerate Era 4 Black Hole Era 5 Dark Era

Primordial Era (tot 100.000 jaar na de Oerknal) Inflatie Materie en anti-materie Quarks: neutronen en protonen Synthese van waterstof en helium Kosmische achtergrond straling Straling domineert Heelal

Stelliferous Era Vorming en evolutie van sterren en sterrenstelsels Sterren domineren de energieproductie Lichte sterren (rode dwergen) worden steeds belangrijker In de sterrenstelsels raakt gas uiteindelijk op: stervorming stopt zelfs rode dwergen doen uiteindelijk het licht uit

Stelliferous Era Stervormingssnelheid in het Heelal enkele feiten: miljarden jaren geleden lag de stervormingsnelheid ca. 10 keer hoger dan hedentendage .... de meeste sterren die ooit zullen bestaan zijn al geboren .... de Zon is geboren aan het einde van een ware stervormingexplosie miljarden jaren geleden ..... veel van de huidige sterren om ons heen zijn op middelbare leeftijd .... wanneer het maximum lag in stervorming is onbekend, maar vanaf 8 miljard jaar geleden tot nu toe is stervorming af aan het nemen ......

Lokale Groep Stelliferous Era over 100 miljard jaar.... De Lokale Groep is gereduceerd tot één groot elliptisch stelsel. Andere clusters en Superclusters verwijderen zich met enorme snelheden en zijn inmiddels niet meer zichtbaar. Lokale Groep

Lichten uit … Stelliferous Era over 100.000 miljard jaar.... Behalve nagloeiende zwarte gaten en licht van overgebleven intelligente civilisaties is er geen licht meer. Het oppervlak van de Aarde is gerelaxeert tot een volmaakte spiegel. Lichten uit …

Degenerate Era start: alleen nog sterresten en mislukte sterren bruine dwergen, witte dwergen, neutronensterren en zwarte gaten produceren zwak licht, maar incidenteel gaat toch nog even het licht aan ......

botsende bruine dwergen kunnen nieuwe sterren vormen Degenerate Era botsende bruine dwergen kunnen nieuwe sterren vormen

botsende witte dwergen veroorzaken supernova explosies Degenerate Era botsende witte dwergen veroorzaken supernova explosies

Degenerate Era swing-by van sterren sommige sterren worden het stelsel uitgeschoten en andere verliezen bewegingsenergie en vallen naar centrum van sterrenstelsel

Degenerate Era annihilatie van donkere materie WIMPs botsen en vervallen tot gewone deeltjes en fotonen Witte dwergen vangen WIMPs die in de dwerg annihileren. De straling verlaat de dwerg in infrarood.

Proton verval? Degenerate Era Als protonen vervallen is de halfwaarde tijd in ieder geval > 1033 jaar! In dat geval zal alle materie in dode sterren uiteindelijk vervallen tot elektronen en positronen, die samen positronium atomen vormen van gigantische omvang!

Black Hole Era Zwarte gaten zijn de helderste objecten geworden.

Verdampende zwarte gaten Black Hole Era Stephen Hawking heeft ontdekt dat zwarte gaten kunnen verdampen. En dat de verdamping steeds sneller gaat naarmate de zwarte gaten kleiner worden. Uiteindelijk verdwijnen de zwarte gaten volledig in een laatste kosmisch vuurwerk. Verdampende zwarte gaten

Black Hole Era massa van het zwarte gat diameter temperatuur (K) levensduur (jaar) 1 kilo 3 10-27 m 1.2 1023 2.7 10-24 massa van de Aarde 1.8 cm 0.02 5.7 1050 massa van de Zon 5.9 km 6.2 10-8 2.1 1067 10 zonsmassa’s 59 km 6.2 10-9 2.1 1070 2.6 miljoen zonsmassa’s 15 Mkm 2.4 10-14 3.7 1086

Dark Era Er zijn geen sterren of ster-restanten meer. Alle zwarte gaten zijn verdampt. Aan het explosieve einde van hun leven produceren zwarte gaten grote hoeveelheden elektronen en positronen. Wat resteert zijn: elektronen, positronen, neutrino’s en fotonen Elektronen en positronen vormen positronium ‘atomen’ maar uiteindelijk vervallen ook deze weer tot gamma fotonen.

Dark Era

As we learn more and more about the universe, there seems less and less for God to do. Carl Sagan

The process of scientific discovery is, in effect, a continual flight from wonder. Albert Einstein

Einde cursus