Overzicht. Vandaag: Frank Verbunt Het heelal Nijmegen 2014

Transcriptie

1 Vandaag: Frank Verbunt Het heelal Nijmegen 2014 Korte Geschiedenis Inhoud van het heelal: film Powers of Ten Het zonnestelsel Boek: hoofdstuk1, 2.1 Overzicht 12 feb: Inleiding, Zonnestelsel 19 feb: Meten aan sterren 26 feb: Vergelijken van sterren 5 mrt: Natuurkunde van Sterren 12 mrt: Evolutie van sterren 17 mrt: Witte dwergen en Neutronensterren 24 mrt: Zwarte gaten 31 mrt: Sterstelsels 7 april: Kosmologie Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

2 Sterren gaan wel / niet door de horizon (Mauna Kea) Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

3 De Zon tussen de sterren (Stonehenge 4500) Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

4 Equator en ecliptica Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

5 De baan van de Aarde om de Zon Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

6 Precessie Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

7 De Zon tussen de sterren: precessie en Stonehenge Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

8 3000 jaar geleden: Jupiter in Babylon rood: 1 jan 1000 vc; blauw 1 jaar later; lichtblauw 2 jaar later rood: 1 jan 1000 vc; blauw 12 jaar later; lichtblauw 24 jaar later Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

9 3000 jaar geleden: planeten in Babylon Voorbeeld Jupiter: 12 jaar: 1 rondje + een beetje 7 beetjes is 1 jaar gewonnen = 83 jaar is 7 rondjes Om de periode van een planeet te bepalen is nodig: een hemelkaart een archief van waarnemingen kunnen rekenen De Babyloniërs hadden dit, in ieder geval na 1700 v.c., misschien eerder. Waarom? hulp in voorbereiding van waarnemingen en rituelen hulp in horoskoop-productie (uit tabel i.p.v. waarneming) data voor dagen met slecht weer intellectuele nieuwsgierigheid Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

10 3000 jaar geleden: planeten in Babylon 7 Dwaalsterren volgen hetzelfde pad tussen de sterren: de dierenriem. Maan Zon Venus (8 jr 4 d) Mercurius (46 jr 1 d) Mars (47 jr+4 d) Jupiter (12 jr) Saturnus (59 jr 6 d) De snelheid van een planeet is anders in verschillende sterrenbeelden Sterrenbeelden in de dierenriem naam vertaling modern HUN (LU) huurling Aries MÚL-MÚL sterren Taurus MA S-MA S tweelingen Gemini ALLA krab Cancer A leeuw Leo ABSIN gerst-aar Virgo RÍN weegschaal Libra GÍR-TAB schorpioen Scorpio PA Pabilsag Sagittarius MÁ S geit-vis Capricorn GU de grote Aquarius zib.me staarten Pisces Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

11 bijna 2000 jaar geleden: planeten in Grieks Alexandrie de banen van de planeten zijn eeuwig hetzelfde het boven-maanse is perfect! elke planeet een set cirkels/bollen Ptolemaios: fijn werk Details van de planetenbanen: Mercurius en Venus zijn altijd in de buurt van de Zon Mars, Jupiter en Saturnus lopen soms achteruit! altijd recht tegenover Zon... verklaring van de variabele snelheid van de Maan impliceert een sterk variabele afstand. Dat klopt niet met de waarnemingen De benodigde wiskunde is behoorlijk ingewikkeld! Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

12 De Almagest van Ptolemaios: het heelal Almagest Alternatief: Herakleides Elke planeet heeft een bolschil, waarvan de dikte is bepaald uit de grootte van de epicykel. De bolschil sluit nauw aan op die van de planeten erbinnen en/of erbuiten ( horror vacui ) Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

13 bijna 2000 jaar geleden: planeten in Grieks Alexandrie Teruglopen van Mars Afstand tot de Maan de Maan beweegt in het cirkel om een middelpunt dat in een cirkel beweegt langs een middelpunt dat in een cirkel om Tussenpozen van 1 dag op de achtergrond: Uranus Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) de Aarde beweegt... Daardoor verandert de afstand Aarde-Maan heel sterk Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

14 bijna 2000 jaar geleden: weg met de wetenschap De Romeinen voor praktische zaken (bruggenbouw, scheepsbouw, watertransport) is ervaring nuttiger dan wiskunde als ik wil weten welk seizoen het is kijk ik wel op de kalender! De Christenen wetenschap is heidens wetenschap leidt tot waanwijsheid alleen studie van de bijbel en van de kerkvaders God bepaalt wat er gebeurt: niet de sterren Onder Caesar werd een goede kalender opgesteld Het gevolg van deze opvattingen was dat kennis van de wiskunde en sterrenkunde in het Westen vrijwel volledig verdween. Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

15 Het Midden-Oosten: de Islamitische wereld Waarom Sterrenkunde? begin van de maand (Ramadan, Koran verbiedt schrikkelmaanden) gebedstijden richting naar Ka ba in Mekka dus: in dienst van moskee: muwaqqit Koninklijke Sterrenwacht Hoe? eerste kennis van (nazaten van) gevluchte wetenschappers uit Alexandrie ontwikkeling nieuwe instrumenten ontwikkeling nieuwe wiskunde doorgave kennis via (handgeschreven) handboeken Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

16 Het Midden-Oosten: de Islamitische wereld Drie voorbeelden: Nasīr al-dīn al-tūsī (geb.1201) pakt problemen Ptolemaios aan bv. met twee extra cirkels kan de afstand tot de Maan worden geregeld Ulugh Beg (15e eeuw) nieuwe ster-catalogus met 1018 posities van sterren Ibn al-shātir ( ) nieuwe theorie buitenplaneten Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

17 Herleving van de Sterrenkunde in Europa In drie stappen na 800: her-ontdekking laat-romeinse schrijvers: zeer primitief na 1100: her-ontdekking Ptolemaios 1144: uit Arabisch in Spanje 1160: uit Grieks in Palermo invoering astrologie voor artsen (uit Islam) aan Italiaanse universiteiten; gaandeweg hoger niveau van de sterrenkunde Copernicus studeert medicijnen en rechten in Bologna, Padua werkt in Fromberk wiskunde voldoende om Ptolemaios geheel te begrijpen en te verbeteren! 1543: Zon in centrum heelal verklaart waarom Venus en Mercurius altijd bij Zon en retrograde beweging van Mars, Jupiter, Saturnus Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

18 Moderne Sterrenkunde in Europa Nauwkeurige metingen Brahe Kepler studeert in Kopenhagen werkt in Hven (en Praag 1600) zeer nauwkeurige metingen leidt veel sterrenkundigen op, o.a. Blaeu studeert in Tübingen analyseert data van Brahe 1609: ellipsen! Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

19 Ondermaans en Bovenmaans: beide variabel! Brahe liet zien dat de Nieuwe Ster van 1572 in het bovenmaanse lag Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

20 Moderne Sterrenkunde in Europa Theoretisch begrip Galileo Newton telescoop (dankzij nieuw, goed glas!) maantjes van Jupiter valproeven: begrip van versnelling wiskundig vernieuwer 1688: laat zien dat ellipsen volgen uit 1/r 2 -wet van de zwaartekracht Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

21 Sterrenkunde in Europa: 18e en 19e eeuw Wiskundige verbeteringen bv. Laplace (rond 1800) Halley liet zien dat baan van Jupiter steeds kleiner werd van Saturnus steeds groter is het zonnestelsel stabiel? klopt Newton wel? verklaring uit onderlinge storing Technische verbeteringen grotere telescopen grotere lensen betere klokken betere plekken voor telescopen (bv. op bergtop) fotografie spectrografen voor uiteenrafelen verschillende kleuren 1838: Bessel: eerste afstand tot een ster Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

22 1921 Het grote debat: nevels en nevels Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

23 Sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels donkere materie de sterrenstelsels staan in groepen de groep heeft een veel te kleine zichtbare massa om de sterrenstelsels bijeen te houden er is veel meer donkere materie als zichtbare materie! bevestigd met afbuiging licht (blauwe slierten in figuur) en met aanwezigheid van zeer heet gas Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

24 Clusters van sterstelsels en heet gas XMM-Newton in vlucht cluster in röntgenstraling Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

25 De verste sterrenstelsels en donkere energie 100 uur met de Hubble RuimteTelescoop... alle sterstelsels bewegen van ons af hoe verder, hoe sneller de allerverste bewegen sneller dan verwacht duwende energie! Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

26 Grootte heelal in lichtjaren: 1 lichtjaar is tien miljoen miljoen km jaar sterrenkundige grens afstand heelal (lichtjaar) 222 v.c. Archimedes sfeer der sterren 0, Ptolemaios Brahe sfeer der sterren 0, Bessell nabije ster Kapteyn Melkweg Zwicky Virgo cluster Inhoud van het heelal sterren en planeten <1 % donkere materie % heet gas in sterclusters % donkere energie % Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

27 De banen van planeten en planetoïden Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

28 De wetten van Kepler Kepler en Newton 1 de planeetbanen zijn ellipsen 2 de Zon staat in een brandpunt van de ellips 3 de omloop-periode van de planeet P schaalt met de (gemiddelde) afstand tot de Zon a als P 2 = Ka 3 Newton (1688) liet zien dat dit volgt uit de 1/r 2 zwaartekracht: ( ) 2 2π = G(M + M p ) P a 3 GM a 3 Alleen relative afstanden! Uit Kepler s wet volgt meteen ( ) 2 ( ) 3 P a = jaar a A Omdat de omloop-perioden bekend waren, wist Kepler de relatieve afmetingen a/a A van alle planeten. De afstand tot de Zon kende hij niet: hij kon het zonnestelsel alleen op schaal tekenen M, M p is massa zon, planeet. Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

29 De planeetbanen Vorm afstand tot de Zon Kaats radarsignaal naar Venus: (lichtsnelheid c; terug na t sec) a V a A = c t = 2(a A a V ) hieruit: a A a v = 41.5 miljoen km 3e wet Kepler: ( ) 2/3 PV = P A ( ) 2/3 = samen: a A = 150 miljoen km met Newton s versie van de wet van Kepler volgt (P = 1 jr) M = kg Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

30 Nuttige wiskunde 1: rechthoekige driehoek tan α = D d voor kleine hoek: tan α α mits α is uitgedrukt in radialen. Daarmee: α = D d D = αd 360 = 2π rad x = 2πx 360 rad boogminuut: boogseconde: x = 2π rad; x 2π = rad Voorbeeld 1: straal vd Zon R De afstand Aarde-Zon wordt de astronomische eenheid genoemd. weergegeven met AU. Vul in: D = R d = AU = m α 16 Dan: R = 2π m m = km precieze waarde: R = km Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

31 Ons Zonnestelsel Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

32 De grootten van planeten en planetoïden Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

33 Binnenplaneten vs. buitenplaneten: geen sterrenkunde... binnenplaneten: rots Geologie! Voorbeeld: koeling jonge planeten heet door radioaktiviteit kleine planeten (Mercurius, Maan): koeling door geleiding middengrote planeten (Mars): koeling door vulkanisme grote planeten (Aarde, Venus?): koeling door platen-tektoniek buitenplaneten: gas Meteorologie: voorbeeld rode vlek Jupiter Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34

34 Ida & Dactyl (ap html) Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 12 februari / 34