Overzicht. Vandaag. Frank Verbunt Het heelal Nijmegen 2015

Transcriptie

1 Vandaag Frank Verbunt Het heelal Nijmegen 2015 Theorie: de Algemene Relativiteits-Theorie de lichtsnelheid gekromde ruimte tests zwarte gaten Waarnemingen zwarte gaten uit sterren centrum van de Melkweg centra van sterstelsels Overzicht 4 mrt: Kijken naar de hemel 11 mrt: Het zonnestelsel 18 mrt: Meten aan sterren 25 mrt: Natuurkunde van Sterren 1 apr: Evolutie van sterren 8 apr: Witte dwergen en Neutronensterren 15 apr: Zwarte gaten 22 apr: Sterstelsels 29 april: Kosmologie Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

2 Speciale Relativiteits - Theorie: de lichtsnelheid lage snelheden snelheid bal t.o.v. de fietser: = 50 km/u hoge snelheden snelheid licht t.o.v. de fietser: km/s maar km/s! hoe kan dat? snelheid = afstand / tijd: er is iets mis met afstand en/of tijd Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

3 Speciale Relativiteits - Theorie: gelijktijdigheid Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

4 Algemene Relativiteits - Theorie: zware en trage massa een zware massa ondervindt grotere zwaartekracht, b.v. van de Aarde, dan een lichte massa het kost meer moeite een zwaar object in beweging te brengen dan een licht object: de trage massa van een zwaar object is groter daardoor valt een zware massa even snel als een lichte massa: zware massa = trage massa. Is dit toeval? Newton: ja. Einstein: nee! Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

5 Algemene Relativiteits - Theorie: het lift-experiment a. de lift wordt versneld naar boven: licht in de lift volgt een kromme baan b. de lift bevindt zich boven een grote massa: omdat versnelling = zwaartekracht moet ook nu het licht krom gaan! c. strikt genomen geldt dit alleen lokaal: op grote schaal verschilt het wél Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

6 ART-: de kromming van de ruimte beginselen SRT: lichtsnelheid hetzelfde voor waarnemer met vaste snelheid ART: lichtsnelheid hetzelfde voor waarnemer met variabele snelheid versnelling = zwaartekracht Einstein her-schrijft de natuurkunde in ruimte zonder massa is omtrek van een cirkel O = 2πr in ruimte om een massa is omtrek van een cirkel O < 2πr om dit te tekenen moeten we het papier naar beneden duwen: de ruimte is krom Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

7 Algemene Relativiteits - Theorie: zwakke tests klassieke tests Einstein de baan van Mercurius: rotatie van de lange as Eddington afbuiging van sterlicht door de Zon Shapiro afstand tot Venus Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

8 Algemene Relativiteits - Theorie: zwakke tests klassieke tests Einstein de baan van Mercurius: rotatie van de lange as Eddington afbuiging van sterlicht door de Zon Shapiro afstand tot Venus verplaatsing cm Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

9 Algemene Relativiteits - Theorie: zwakke tests klassieke tests Einstein de baan van Mercurius: rotatie van de lange as Eddington afbuiging van sterlicht door de Zon Shapiro afstand tot Venus radar signaal naar Venus heeft s meer tijd nodig dan verwacht om terug te komen klopt met ART: afstanden in richting Zon zijn langer Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

10 Ontdekking van de radio dubbelster-pulsar Taylor and Hulse 1993 variabele pulsperiode: baan Taylor doet routine-onderzoek naar pulsars. Nuttig, maar niet spectaculair. Tot... dubbelster-pulsar! Twee zware massa s in baan van 8 uur: algemene relativiteit. Voor oorsprong: zie les 6, p.39 Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

11 De hergebruikte pulsars Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

12 De nauwkeurigste klok ter wereld voor tijdsinterval van jaren Laboratoria cesium-klok is heel nauwkeurig 5 plaatsen op aarde met aantal cesium klokken met elkaar vergelijken: geeft nauwkeurigheid: micro-secondes correctie voor ART nodig! De milliseconde pulsar in zijn eentje net zo nauwkeurig als 5 laboratoria Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

13 Nauwkeurige klok: 1e planeten buiten zonnestelsel planeet a planeet b planeet c a 1 sin i (licht-msec) (1) (1) (2) eccentriciteit e (2) (2) baanperiode (dagen) (3) (1) (2) massa (M ) 0.020(2) 4.3(2) 3.9(2) Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

14 De kromming van de ruimte: afstand en tijd Aarde-Maan afstand Aarde-Zon kleiner bij volle maan groter bij nieuwe maan klokken tikken langzamer bij volle maan sneller bij nieuwe maan Aarde-Maan en pulsar alle klokken op aarde! te meten m.b.v. klok ver weg: pulsar Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

15 De kromming van de ruimte: afstand en tijd Aarde-Venus-Mercurius Afstand Aarde-Venus radar-signaal naar Venus of Mercurius en terug, dicht langs de Zon reistijd langer dan verwacht moeilijke meting! ellips-banen berg-en-dal op Venus x = c t vertraging s klopt met ART Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

16 De kromming van de ruimte: milliseconde pulsars pulsars in dubbelsterren radiopuls van ene neutronenster vertraagd als het langs de andere neutronenster loopt Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

17 Algemene Relativiteits - Theorie: sterkere tests dubbelsterren van twee neutronen-sterren: baan periode 8 uur verschuiving lange as: in 1 dag net zoveel als Mercurius in 100 jaar! krimpen van de baan door energieverlies in zwaartekrachts-straling Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

18 Algemene Relativiteits - Theorie: sterkere tests dubbelsterren van twee neutronen-sterren: baan periode 8 uur verandering van de snelheids-kromme door peri-astronverschuiving 2 waarnemingen: bepaling van de massa s van de neutronensterren 3 waarnemingen: test voor de algemene relativiteits-theorie Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

19 Algemene Relativiteits - Theorie: sterkere tests dubbelsterren van twee neutronen-sterren De nauwkeurigheid van de herbruikte pulsars als klok, laat een in de overige sterrenkunde ongeëvenaarde nauwkeurigheid toe in de bepaling van de baan (periode, eccentriciteit, stermassa s). Hier de twee interessantste dubbele neutronensterren: PSR PSR J , datum geldigheid 6 juli mei 2004 puls-periode P (7)s (1)s afgeleide Ṗ (8) ss (5) ss 1 tweede afgeleide P < s s 1 baan-periode P b (4)d (5)d afgeleide Ṗ b (9) (17) eccentriciteit e (4) (9) periastron-beweging ω (5) yr (68) /yr massa pulsar M (2)M (7)M massa begeleider M (2)M (7)M Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

20 Algemene Relativiteits - Theorie: sterkere tests Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

21 Algemene Relativiteits - Theorie: de sterke effecten hoe groter de massa, hoe dieper de kuil als de verhouding straal / massa te klein wordt valt de bodem eruit: de afstand tot de rand (de horizon ) wordt oneindig groot dat noemen we een zwart gat om dit te begrijpen bekijken we eerst de donkere ster Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

22 Zwaartekracht volgens Newton: de donkere ster Michel 1784, Laplace 1795 de ontsnappings-snelheid v hangt af van de verhouding massa/straal vier keer grotere massa: twee keer grotere v vier keer kleinere straal: twee keer grotere v v voor de Zon is 440 km/s als we de Zon samenpersen tot 3 km is v gelijk aan de lichtsnelheid Eigenschappen een lichtdeeltje dat van een donkere ster omhoog vliegt, wordt afgeremd en valt terug: het licht kan ons niet bereiken de ster is voor ons donker: astre occlu een donkere ster is stabiel een ruimte-reiziger kan er heen reizen... en weer terugkeren in een eindige tijd klokken tikken voor de ruimte-reiziger en de verre toeschouwer even snel Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

23 Zwaartekracht volgens Einstein: het zwarte gat de straal R s van de horizon is precies gelijk aan de straal van de donkere ster klassieke tests buiten de horizon wordt licht al afgebogen niets kan van binnen de horizon naar buiten komen, ook licht niet een donkere ster stort onherroepelijk in een ruimte-reiziger kan er heen reizen... maar niet terug klokken tikken voor de ruimte-reiziger gewoon, maar voor de verre toeschouwer gaan ze stil staan aan de horizon en blijft de reiziger hangen Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

24 Zwaartekracht volgens Einstein: het zwarte gat klassieke tests buiten de horizon wordt licht al afgebogen niets kan van binnen de horizon naar buiten komen, ook licht niet een donkere ster stort onherroepelijk in een ruimte-reiziger kan er heen reizen... maar niet terug klokken tikken voor de ruimte-reiziger gewoon, maar voor de verre toeschouwer gaan ze stil staan aan de horizon en blijft de reiziger hangen Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

25 Supernova: vorming van een neutronenster? Van ster tot compact object in sterren worden elementen samengesmolten dit levert energie tot aan ijzer als de ijzerkern te zwaar wordt stort hij in de ijzerkern van sterren met massa tussen 8 en 30 (??) keer die van de zon implodeert tot neutronenster de ijzerkern van zwaardere sterren tot zwart gat supernova 1994D Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

26 Neutronensterren en zwarte gaten 1932 Chadwick ontdekt neutron 1934 Baade & Zwicky voorspellen neutronenster: I 14 mijl doorsnee E I I GM J R vorming = supernova bron van kosmische straling te klein om te zien... LA Times 19 jan 1934 Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

27 Allemaal leuk en aardig, maar wat kunnen we er mee? Robert Oppenheimer: Een mooie theorie! Jammer dat er geen waarnemingen zijn... dit veranderde in de zestiger jaren van de vorige eeuw, met de komst van de röntgensterrenkunde zie les 6, p.37 sqq. Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

28 Waarnemingen: de hemel in röntgenlicht kleur: röntgendubbelsterren; groen: zwarte gaten in dubbelsterren Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

29 De identificatie van Cygnus X-1 Welke ster is het? de positie van de röntgenbron is onnauwkeurig, en er zijn heel veel sterren! toen de röntgenbron sterk verzwakte, verscheen er een radiobron de positie met de WSRT laat zien welke ster de juiste is de ster is een dubbelster van een gewone zware ster met een vergelijkbaar zware, maar onzichtbare ster Veel mogelijkheden... Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

30 De identificatie van Cygnus X-1 Welke ster is het? de positie van de röntgenbron is onnauwkeurig, en er zijn heel veel sterren! toen de röntgenbron sterk verzwakte, verscheen er een radiobron de positie met de WSRT laat zien welke ster de juiste is de ster is een dubbelster van een gewone zware ster met een vergelijkbaar zware, maar onzichtbare ster Röntgen uit, radio aan Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

31 De identificatie van Cygnus X-1 Welke ster is het? de positie van de röntgenbron is onnauwkeurig, en er zijn heel veel sterren! toen de röntgenbron sterk verzwakte, verscheen er een radiobron de positie met de WSRT laat zien welke ster de juiste is de ster is een dubbelster van een gewone zware ster met een vergelijkbaar zware, maar onzichtbare ster Westerbork geeft goede positie Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

32 De identificatie van Cygnus X-1 Welke ster is het? de positie van de röntgenbron is onnauwkeurig, en er zijn heel veel sterren! toen de röntgenbron sterk verzwakte, verscheen er een radiobron de positie met de WSRT laat zien welke ster de juiste is de ster is een dubbelster van een gewone zware ster met een vergelijkbaar zware, maar onzichtbare ster Veranderlijke snelheid Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

33 De onzichtbare begeleider van Cygnus X-1: zwart gat theorie elke ster beweegt om het zwaartepunt de grootte van de baan is omgekeerd evenredig met de massa: de zware ster heeft de kleine baan de snelheid van de ster in de baan is omgekeerd evenredig met de massa: de zware ster beweegt het minst voor Cygnus X-1 is de minimale massa 10 keer die van de zon: te zwaar voor een neutronenster banen in een dubbelster Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

34 De onzichtbare begeleider van Cygnus X-1: zwart gat theorie de straal van een zwart gat is Schets van Cyg X-1 R = 2GM c 2 de energie die vrijkomt als je m materie op een massa M met straal R gooit is E = GM R m combineer de vergelijkingen: E = 0.5mc 2 dit werkt alleen als de materie tijd krijgt de energie uit te stralen: dit gebeurt in de schijf waarlangs het gas naar het zwarte gat stroomt. In die schijf wordt de materie heet geoeg om röntgenstraling uit te zenden Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

35 Zwarte gaten in dubbelsterren: nu zo n 20 bekend theorie sinds 1970 nog een aantal andere zwarte gaten ontdekt meestal tijdelijke bronnen van röntgenstraling: ze verschijnen, zijn een maand helder, en verdwijnen dan weer meestal lage-massa begeleider, ongeveer de massa van de zon of minder banen op schaal Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

36 Melkweg (2 micron All Sky Survey) Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

37 Zwart gat in centrum van onze Melkweg met infrarood en adaptieve optica zien we sterren in een baan om het centrum van de Melkweg: film met name ster 2 komt vlak langs het centrum we kunnen uit de grootte van de baan en de periode van de omloop de centrale massa bepalen die is ongeveer drie-en-half miljoen zonsmassa het centrum is ook een bron van variabele röntgenstraling en van radiostraling baan van S2 Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

38 Zwarte gaten in centra van andere sterstelsels NGC4151 brede lijnen Seyfert ontdekte in 1943 sterstelsels met een zeer heldere kern brede lijnen in het spectrum wijzen op snelheden tot km/s Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

39 Zwarte gaten in centra van andere sterstelsels de hemelkaart in radiostraling Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

40 Zwarte gaten in centra van andere sterstelsels de hemelkaart in radiostraling: straalstromen Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

41 De hemelkaart in radiostraling: straalstromen Oorsprong ze komen exact uit het midden de energie is gemiddeld: om die vrij te maken moet je 1 zonsmassa per jaar op een zwart gat gooien als je dat een miljoen/miljard jaar doet, heeft het zwarte gat een massa groter dan 1 miljoen/miljard zonsmassa s NGC 6251 Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

42 Zwarte gaten in centra van andere sterstelsels M81 en M82 Frank (ap html) Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

43 de hemelkaart in röntgenstraling Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

44 Zwarte gaten in centra van andere sterstelsels model een dikke ring daarbinnen een schijf om een centraal zwart gat Wat je ziet hangt af van de richting aantallen honderdduizend röntgenbronnen aan de hemel de meeste zijn zwarte gaten elk sterstelsel bevat een centraal zwart gat Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

45 Directe detectie zwaartekrachtsgolven theorie een passerende zwaartekrachtsgolf verandert afstanden je meet niet energie, maar veranderde afstand: het signaal neemt langzaam af: verre bronnen dragen bij meet dit met interferentie Laser Interferometrie Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

46 LIGO: laser interferometer gravitational wave observatory Washington / Louisiana American can do... 1 m 4 km grootste vacuum ter wereld in Hanford & Livingston spiegel aan veer, aan veer, aan veer... laatste veer is magneet Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

47 Laser interferometer gravitational wave observatory Begrenzingen aan gevoeligheid begrenzing links: aardbevingen, instelling hoek begrenzing rechts: Poisson ruis fotonen grootte detector grootte bron signaal LIGO kleiner dan doorsnee atoomkern! Europa: VIRGO (Nijmegen namens Nederland) Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

48 Zwaartekrachtsgolven voor de toekomst: elisa evolved Laser Interferometer Space Antenna 3 satellieten op onderlinge afstanden 2 miljoen km verandering afstanden te volgen met nauwkeurigheid 60 nm lancering 2034 Pathfinder sep 2015 bekende dubbele witte dwergen boven ruis meest ruis van: dubbele witte dwergen! hoeveelheid onbekend Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43

49 Samenvatting de zwakke Algemene Relativiteits-Theorie is goed getest de ART leidt onherroepelijk tot het idee zwart gat een ster kan een zwart gat nalaten dat zichtbaar wordt als het materie invangt zwarte gaten in de centra van sterstelsels: onduidelijk hoe gevormd en hoe gevoed ze zijn er wel wellicht hebben alle sterstelsels een centraal zwart gat; ook de Melkweg Zwaartekrachtsgolven in het vroege heelal smelten sterstelsels samen: de zwarte gaten smelten dan samen daarbij komen sterke zwaartekrachtsgolven op die hoopt men met LIGO te meten maat is fractionele verandering in afstand h Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 2 april / 43