Basiscursus Astronomie en Astrofysica. Leeuwarden, jan.-apr Zon en Planeten en kleiner - Jan de Boer, 28 januari. Inhoud

Transcriptie

1 Basiscursus Astronomie en Astrofysica Leeuwarden, jan.-apr Zon en Planeten en kleiner - Jan de Boer, 28 januari Inhoud Algemene leesstof sterrenkunde Verhoudingen in zonnestelsel Maan en zons/maansverduisteringen Binnenplaneten Verschil Mercurius, Venus, Aarde, Mars Buitenplaneten: Jupiter/Saturnus versus Uranus/Neptunus Dwergplaneten Planetoïden Kuiper Gordel Kometen Oort Wolk Leesstof 28 januari 2013 Zonnestelsel 2 1

2 Algemene leesstof sterrenkunde Handboek Sterrenkunde, Govert Schilling, Fontaine uitgevers, ISBN , achtergrond boek voor deze cursus. van Govert Schilling, met gratis nieuwsbrief veel info en verenigingen Astronomy Picture of the Day, uitleg vertaald in Nederlands Engelse uitleg, altijd iets eerder Astronomie Antwoorden Reis door het Heelal Veel sterrenkundeboeken in webwinkel 28 januari 2013 Zonnestelsel 3 Eise Eisinga, Franeker, bouw mm = 1 miljoen km Op de site kunt u de planeten laten bewegen. 28 januari 2013 Zonnestelsel 4 2

3 Wetten van Kepler Planeten in elliptische banen, zon in één van de twee brandpunten van de ellips. 2. Perkenwet (figuren links) Snelheid planeet verandert zo dat in gelijke tijdsintervallen de oppervlakte van het perk bestreken door de voerstraal gelijk is (snelheid in D groot). 3. 2x verder van de zon, dan omloopstijd P ca. 2,8x langer Constante verhouding omlooptijd 2 : afstand tot zon 3 28 januari 2013 Zonnestelsel 5 Melkwegpad (4 km), Hooghalen 1 mm = 3700 km 1 stap = 2,5 miljoen km Van P-plaats herinneringscentrum Kamp Westerbork bij Hooghalen langs de planeten naar de zon Uranus in middelste glaasje 28 januari 2013 Zonnestelsel 6 3

4 Eerst wat over de Maan Meest gesteunde theorie is vorming door botsing Aarde- Theia (= Marsachtig, 1/9x Aarde). Deel aardmantel uitgeworpen, concentreert zich dan tot de maan (ca. 1/80x Aarde), zie je aan samenstelling Maan. Vrij groot: bij andere planeten is verhouding massa maan/planeet voor alle manen kleiner dan 1/80. Manen bij andere planeten restanten van de planeetvorming, of door zwaartekracht gevangen kleine objecten. 28 januari 2013 Zonnestelsel 7 Maan < km -> Als de Zon rechts buiten beeld staat ziet de Maan de verlichte Aarde, en wij zien de nachtzijde van de Maan verlicht door de Aarde 28 januari 2013 Zonnestelsel 8 4

5 Zonsverduisteringen Aarde+oceanen niet perfect bol Daarom veranderlijke storing op kracht die de Maan aantrekt Dat remt de maan en afstand wordt 4 cm/jaar groter (3e wet van Kepler ook bij Maan om Aarde: omlooptijd langer => verder weg) Nog 300 miljoen jaar zonsverduisteringen, daarna lijkt de Maan te klein (verduistering ringvormig) 28 januari 2013 Zonnestelsel 9 Maansverduisteringen Aarde veel groter dan Maan Kernschaduw Aarde (umbral shadow) dus ook veel groter dan kernschaduw Maan Zolang de Aarde leeft *) past de maan nog wel een paar keer in die schaduw *) andere cursusdag: tot einde tegenwoordige levensfase Zon 28 januari 2013 Zonnestelsel 10 5

6 Acht planeten en een dwergplaneet (Pluto) T.o.v. massa Zon: Jup=0,1% Sat+Ura+Nep =0,05% al het andere incl. Aarde 0,0015% 28 januari 2013 Zonnestelsel 11 Protoplanetaire schijf Protoplanetaire schijf in de Orion Nevel Buitenkant paar honderd graden onder 0 o C Stofdeeltjes verduisteren de achtergrond, ook de protoster in het middelpunt Straal van de schijf ongeveer 100 Astronomische Eenheden (1 AE = afstand Zon-Aarde = ,7 km) Licht zon-achtige ster blaast binnen 6 miljoen jr schijf weg Internet: schijven (disks) heten in het Engels PPD of proplyd (foto Space Telescope Science Institute) 28 januari 2013 Zonnestelsel 12 6

7 Schijven in Orion Nevel (Hubble Space Telescope) 28 januari 2013 Zonnestelsel 13 Protoplanetaire schijf (PPD) en sneeuwgrens tekening kennislink.nl HH-30 in de Stier afstand 450 lichtjaar: zijkant van een PPD. Vóór binnendeel is donker stof. Jonge ster stoot jets uit. binnenplaneten sneeuwgrens op ca. 2,7 AE grote buitenplaneten buiten 2,7 AE door zwakker zonlicht onder -120 o C meer stof met aangevroren gas daardoor binnenplaneten rotsachtig en buitenplaneten gas- en ijsreuzen 28 januari 2013 Zonnestelsel 14 7

8 Iets over broeikaseffect Broeikaseffect: Instraling hete zon meest op golflengtes met weinig absorptie (zichtbaar), uitstraling koele planeet meest bij infra-rood. Als daar hinder is door veel absorptie dan wordt de evenwichtstemp. hoger zodat toch evenwicht uitgestraalde = ingestraalde energie ontstaat. In andere cursusdag: effect van de absorptie op waarnemen. 28 januari 2013 Zonnestelsel 15 Binnenplaneten geel: radioactieve kern bij zwaardere planeten (levert warmte die naar het oppervlak gaat, heet op Aarde geothermische warmte) 28 januari 2013 Zonnestelsel 16 8

9 Verschil Mercurius, Venus, Aarde, Mars Me ruim 440 K* ( ); beetje ijs in kraters bij polen; magneetveld uit ijzerkern (vloeibaar, getijdenkneding); exosfeer met H en He uit zonnewind, andere elementen uit radioactieve rots, verdamping bij inslag meteorieten. Ve Broeikas CO2 310=>750 K; verloor meeste H2O door zonlicht (ontsnapping H, met He); CO2 nam toe tot 97% Aa Broeikas vooral waterdamp 265=>290 K; 3,8 miljard jaar geleden nog geen atmosfeer, kwam later uit vulkanisme en botsingen met kleine lichamen; ijzerkern door radioactiviteit vloeibaar; atmosfeer 0,03% CO2 (was als Venus, verdween door silicaatverwering: regen+co2+ Calcium uit rotsen naar oceaan =>skeletten micro-organismen =>kalksteen ). Ma 1/9 massa Aarde. Verloor veel gas door zonnewind (en grote botsing?); geen vulkanisme meer; 218 K; 95% CO2, geen broeikas door te ijle atmosfeer en zwakke zon. *) Kelvin (K) = Celsius + 273,15 (bij 0 K staan atomen in een stof stil) 28 januari 2013 Zonnestelsel 17 Mercurius Geen vulkanisme ouderdom oppervlak 4,6 miljard jaar met veel kraters (zoals bij de Maan). Breuken zijn krimpscheuren. 28 januari 2013 Zonnestelsel 18 9

10 Venus Radarkaart, blauw=laag, bruin=hoog. Wel vulkanisme, geen platentektoniek zoals Aarde (weinig stroming in inwendige) Ondoorzichtige zwavelzure wolken reflecteren 90%, temperatuurverschillen in infrarood te zien (zuidpool) 28 januari 2013 Zonnestelsel 19 Orkaan op zuidpool Venus, niet op Aarde Warmte stijgt bij evenaar, zakt bij polen, as Venus helt slechts 177 o *) =>versterking op één punt (helling aardas 23,5 o,, 6 maanden zon op de pool) *) Noordpool Venus omlaag maar de as nogal rechtop dus koude polen 28 januari 2013 Zonnestelsel 20 10

11 Aarde, vulkanisme en tektoniek continentale platen stroming door hitte radioactieve kern en koeling aan de korst 28 januari 2013 Zonnestelsel 21 Mars Vulkaan Olympus Mons, h 27 km (volgende sheets experiment over Marskanalen ) 28 januari 2013 Zonnestelsel 22 11

12 28 januari 2013 Zonnestelsel januari 2013 Zonnestelsel 24 12

13 Buitenplaneten Gasreuzen Jupiter en Saturnus R= en km, massa= 318 en 95 xaarde IJsreuzen Uranus en Neptunus R= en km, massa= 15 en 17 xaarde Ringen van J, S, U en N gevormd door fragmentatie maantjes door botsingen/getijdenwerking bij te nauwe nadering van planeet 28 januari 2013 Zonnestelsel 25 Gasreuzen: Jupiter/Saturnus bruin donkergrijs - lichtgrijs = rots/ijzer/ijs metallisch H-moleculair H gas Aangroei Jupiter+Saturnus kan: alleen Jupiter duurt te lang voor bestaan PPD. Guilera et al fig januari 2013 Zonnestelsel 26 13

14 Jupiter <=Winden en Rode Vlek (orkaan zeker gezien sinds 1664) 28 januari 2013 Zonnestelsel 27 Saturnus Mistlagen in de hoge atmosfeer maken banden minder zichtbaar dan bij Jupiter. Rechts: orkaan bij zuidpool (zie ook bij Venus). Downloadlink filmpje in tekst: 28 januari 2013 Zonnestelsel 28 14

15 Cassini-sonde ziet eclips, maan Daphnis trekt scheiding Aarde januari 2013 Zonnestelsel 29 IJsreuzen: Uranus/Neptunus Atmosfeer, mantel en kern als bij Neptunus (rechts). U en N blauw omdat methaan boven in de atmosfeer rood absorbeert. 1. Top wolken 2. Atmosfeer H2, He, methaan 3. Mantel water-, ammonia-, methaanijzen (stroomt als gletsjer) 4. Kern rots en ijs 28 januari 2013 Zonnestelsel 30 15

16 Uranus Helling draaiïngsas 98 o (Noordpool 8 o zuid van baanvlak). Pool lang heetste plek, na 40 jr in de zon = halve omloop de andere pool 28 januari 2013 Zonnestelsel 31 Neptunus Grote Donkere Vlek (foto Voyager 2, 1989) verdwijnt en vormt zich elke paar jaar Rotatieas helt 28 o, vergelijkbaar met Aarde. Zuidpool warmste plek, daar al 40 jaar middernachtzon. Omloop is 165 jaar, later dus lang zomer op noordpool. Foto s ringen (Voyager 2) 28 januari 2013 Zonnestelsel 32 16

17 Grootste manen in het zonnestelsel Totaal 1 2 (meer) (Pl=dwerg+maan) (ringen van J, S, U en N blijven in vorm door zwaartekracht manen) 28 januari 2013 Zonnestelsel 33 Planetoïden, Kuiper Gordel, kometen De kleine leden van het zonnestelsel, kleiner dan Zon, planeten en dwergplaneten We beginnen met planetoïden (Eng. asteroids) Verder naar buiten de Kuiper Gordel, ook wel de Trans Neptunus Objecten Van de kometen blijven de meesten nog veel verder weg (Oort Wolk) Internationale Astronomische Unie: bij ontdekking krijgt een object een identificatie met jaartal met als volgorde in dat jaar een lettercode met ev. cijfers. Planeten hebben namen uit de klassieke mythologie. Lang bekende planetoïden en Pluto ook. Namen latere dwergplaneten ook uit mythologie van andere culturen. Kometen hebben naam van de ontdekker. Tegenwoordig kan de ontdekker van een planetoïde de naam van een te eren persoon voorstellen aan de IAU. Met Nederland verbonden namen: Sheets komen deels van P.R. Wesselius en M. Verheijen 28 januari 2013 Zonnestelsel 34 17

18 5x Ceres, Pluto, Eris (2003 UB313), Makemake, Haumea 28 januari 2013 Zonnestelsel 35 Planetoïden waar Jupiter het toelaat Zon = 99,85% van de massa van het zonnestelsel. Zwaartekracht Zon houdt planeten, planetoïden etc. in hun baan. Jupiter (0,1%) beïnvloedt die banen. Saturnus, Uranus en Neptunus minder (zijn samen bijna 0,05%). Al het andere incl. de Aarde is verwaarloosbaar (samen 0,0015%). 28 januari 2013 Zonnestelsel 36 18

19 12629 Jandeboer Minor Planet Circular verraste uw docent: 28 januari 2013 Zonnestelsel 37 Grootste planetoïden t.o.v. de maan dwergplaneet 1Ceres 1003 km, planetoïden 2Pallas 583 km, 4Vesta 550, 10Hygiea 450, 31Euphrosyne 370, 704)nteramnia 350, 511Davida 323, 65Cybele 309, 52Europa 289, 451Patientia 276, 15Eunomia 272 km, 3Juno 267 km, 16Psyche 250 km 28 januari 2013 Zonnestelsel 38 19

20 Met ruimtevoertuigen bekeken planetoïden Phobos en Deimos lijken op planetoïden, maar ze raakten in de ontwikkeling van het zonnestelsel gevangen in de zwaartekracht van Mars. Nu zijn het maantjes van Mars Jandeboer niet bezocht, volgens helderheid ca. 5,5 km. 28 januari 2013 Zonnestelsel 39 Aardscheerders Deze planetoïden worden ook NEO genoemd (Near Earth Object), ze kunnen in hun baan dichtbij de Aarde komen. de Aten-groep: deze groep is het kleinst in aantal. Hun banen liggen bijna volledig binnen de baan van de aarde. de Apollo-groep: deze groep kruist de aardbaan. de Amor-groep: deze groep bevindt zich tussen de aarde en Mars. Er zijn sinds 2010 ook bij de Aarde Trojanen ontdekt (vergelijk bij Jupiter) Een handvol is dichterbij dan de maan gesignaleerd: passeerde Apollo planetoïde 2011 MD (10 à 45m) op km (tv-satellieten staan op km), 15-2 a.s. komt 2012 DA14 (45m) op km Onderzoekprogramma 28 januari 2013 Zonnestelsel 40 20

21 28 januari 2013 Zonnestelsel 41 Aardraker 6 oktober 2008 werd een naderende kleine planetoïde gemeld. Het betrof het object genaamd 2008 TC3, vermoedelijk met de omvang van niet meer dan een personenauto, die boven noordelijk Soedan in de atmosfeer zou exploderen met een kinetische energie-equivalent van of ton TNT. : 2008 TC3 sloeg op 7 oktober 2008 als meteoor in boven Noord-Soedan. Het eerst ontdekte object waarvan vooraf bekend was dat het de aarde zou raken. Uit de helderheid was duidelijk dat het klein was en dat het waarschijnlijk in de aardatmosfeer uit elkaar zou vallen. Het korte stukje bekende baan wees op inslag in een dunbevolkt gebied in noordoost Afrika. Hierna 2 foto s uit het archief van (Astronomy Picture of the Day en ) 28 januari 2013 Zonnestelsel 42 21

22 Verwaaid inslagspoor van 2008 TC3 28 januari 2013 Zonnestelsel 43 Resten van 2008 TC3 (zwart) 28 januari 2013 Zonnestelsel 44 22

23 Eerdere aardrakers Een complete lezing zou te geven zijn over de Toengoeskaexplosie 30 juni 1908 (Siberië) : de meest geaccepteerde verklaring is de ontploffing van een meteoriet op circa 8 kilometer boven het aardoppervlak. 28 januari 2013 Zonnestelsel 45 Inslagkraters op Aarde (178) 1,2 km diam., jr. oud, object was 50m 180 km diam., 65 miljoen jr, object (aardopp.<100 Mjr door tektoniek en erosie) was 10km (Chicxulub krater) 28 januari 2013 Zonnestelsel 46 23

24 28 januari 2013 Zonnestelsel 47 Er valt ook wel eens wat in Nederland De Glanerbrug meteoriet ging op 7 april 1990 door een dak De Nederlandse meteorieten: 28 januari 2013 Zonnestelsel 48 24

25 Definities 1. bevindt zich in een baan rond een ster; 2. heeft genoeg massa om met zijn eigen zwaartekracht de interne krachten van zijn eigen lichaam te overwinnen zodat daarmee een hydrostatisch evenwicht bewerkstelligd wordt (met andere woorden gedraagt zich als een vloeistof en is daardoor nagenoeg rond); 3. heeft de omgeving van haar baan schoongeveegd van andere objecten. Voldoet aan: Planeet Dwergplaneet 1 o.a. een planetoïde Er zijn een aantal kandidaat-dwergplaneten. Ze voldoen aan 1, maar de bolvorm wordt vermoed, is nog niet aangetoond. 28 januari 2013 Zonnestelsel 49 zwarte middenstip is alles van de Zon t/m Mars 28 januari 2013 Zonnestelsel 50 25

26 Kuiper Gordel Binnengrens op ca. 30 AE gevolg van zwaartekracht Jupiter, buitengrens 50 AE nog onbegrepen (1 Astronomische Eenheid is de afstand Zon-Aarde, ,7 km) 28 januari 2013 Zonnestelsel 51 De vier grootste Trans Neptunus objecten Eris Middellijn: 2300 km Op: 5,7 14,5 miljard km van de zon Omlooptijd: 560 jaar Baanhelling: 44 o Aantal manen: 1 (Dysnomia) Pluto Middellijn: 2274 km Op: 4,5 7,5 miljard km Omlooptijd: 248 jaar Baanhelling: 17 o Aantal manen: 3 (Charon, Nix en Hydra) Haumea Middellijn: 1800 km Op: 5,2 7,8 miljard km Omlooptijd: 285 jaar Baanhelling: 28 o Aantal manen: 2 (naamloos) Makemake Middellijn: 1800 km Op: 5,8 7,8 miljard km Omlooptijd: 307 jaar Baanhelling: 29 o Aantal manen: 0 28 januari 2013 Zonnestelsel 52 26

27 Aantal objecten Kuiper Gordel Pluto is ontdekt in 1930 (door de Amerikaan Clyde Tombaugh) Eén ander object is ontdekt in 1992 (1992 QB1, door David C. Jewitt and Jane X. Luu) 10 in in net voor 2006 Het minor planet centre houdt namens de IAU een lijst bij ( 13 februari 2012: 1250 waargenomen 28 januari 2013 Zonnestelsel 53 Meer informatie over de Kuiper Gordel Volgens statistiek tenminste TNO s groter dan 100 km tussen de baan van Neptunus (30 AE) en 50 AE. Deze TNO s liggen in een brede band rond de ecliptica (vlak van de aardbaan) en vormen een ring of gordel rondom de Zon. Deze ring heet Kuiper Gordel. Het belang van de Kuiper Gordel is tweeledig: o De TNO s zijn wellicht prille overblijfsels uit het begin van ons zonnestelsel. Het vormen van grotere brokstukken verliep daar veel langzamer. o De Kuiper Gordel zou de bron zijn van kort-periodieke kometen. Het is een soort reservoir van deze kometen, net als de Oort wolk. Dat zijn er miljarden (=billions) De kernen van kort-periodieke kometen ontstaan door botsingen tussen TNO s in de Kuiper Gordel. Die kernen hebben dus heel wat meegemaakt en zijn misschien toch niet zo pril. 28 januari 2013 Zonnestelsel 54 27

28 Ontstaan van TNO s Grote TNO s ( km) zouden volgens een model - op AE van de Zon kunnen ontstaan in 10 to 100 miljoen jaar, maar alleen als de dichtheden toen veel en veel groter waren. Een schijf met ~ 50 M Aarde is nodig. Nu, na 4,5 miljard jaar, bevat de Kuiper Gordel nog slechts 0,01 M Aarde. Het model neemt aan dat de schijf rond de Zon in den beginne ophield bij 30 AE en dat de Kuiper Gordel leeg was. De grootteverdeling van de kleine lichamen was soortgelijk als nu, maar er waren ~ 1000 keer meer objecten. De huidige TNO s zijn in het Kuiper Gordel gebied gekomen door verstoringen door planeten, die in het begin nog van baan veranderden. Een tijdelijke hoge excentriciteit van de baan van Neptunus (sterkere ellipsvorm) toen die op ~ 28 AE was werkt het beste in de computersimulaties. 28 januari 2013 Zonnestelsel 55 Tot 50 km groot. Stof, gruis en veel ijs. Als ze binnen de Marsbaan komen levert het ijs aan de dagzijde stromen gas en stof die een coma tot een miljoen km vullen. Stralingsdruk van de Zon veroorzaakt aan de coma een staart tot wel 1 AE. 28 januari 2013 Zonnestelsel 56 28

29 Jupiter Familie kometen Kort-periodieke kometen hebben omlooptijden <20 jaar en bewegen vrijwel in de ecliptica. Hun banen worden bepaald door Jupiter en derhalve worden ze Jupiter Familie kometen genoemd. Deze kort-periodieke kometen zouden uit de Kuiper Gordel komen. De meeste TNO s bewegen inderdaad in de ecliptica. Door botsingen of zwaartekracht verstoringen ontsnappen sommige kleine TNO s uit de Kuiper Gordel en vallen naar de Zon. Als ze de Zon naderen zullen de vluchtige bestanddelen verdampen en zien we een komeet. Door de interactie met Jupiter zal de komeet óf botsen tegen een planeet (meest Jupiter zelf) of de Zon, óf de komeet wordt uit het Zonnestelsel gegooid. Kometen kunnen niet miljarden jaren in het binnendeel van het zonnestelsel bestaan. Zo berekende Oort het bestaan van een grote voorraad ver buiten de Neptunusbaan, de Oort Wolk. 28 januari 2013 Zonnestelsel januari 2013 Zonnestelsel 58 29

30 Oort Wolk uit statistiek komeetbanen Artist impression. Oort Wolk mogelijk wel tot 1 lichtjaar van de Zon (1 lj = AE). Misschien wisselen kometen wel eens van ster. 28 januari 2013 Zonnestelsel januari 2013 Zonnestelsel 60 30

31 Komeetstaarten De gasstaart (door zonlicht geïoniseerd gas) stroomt door de stralingsdruk van zonlicht snel recht van de Zon af. Invloed van het magneetveld tussen de planeten op de ionen levert soms onregelmatigheden in de gasstaart. De stofstaart is gekromd, wat uit bepaalde zichthoeken is te zien. Stralingsdruk van zonlicht duwt stof en gruis van de komeet naar een grotere afstand tot de Zon. Derde wet van Kepler ook hier van toepassing: hoe verder een stof- of gruisdeeltje van de zon raakt, hoe langer zijn omlooptijd om de zon wordt. Het deeltje gaat dus achter lopen op de komeet, en het verre deel van de stofstaart loopt achter op het nabije deel. Dus kromming. Soms zien we vanaf de Aarde tegen de punt van de V van de staarten aan. Ze lijken dan tegengestelde richtingen te hebben. Die het meest richting Zon lijkt te staan noemen we de antistaart. 28 januari 2013 Zonnestelsel 61 Komeet Shoemaker Levy 9 (9 juli 1994) Bij de nadering brak getijdewerking van Jupiter de komeet in stukken, die als kleine komeetjes op Jupiter insloegen: foto onder, rechterbeeld heeft inslagwolk aan rechterrand. Dagenlang groeiden de vlekken in de atmosfeer. 28 januari 2013 Zonnestelsel 62 31

32 Komeet Lovejoy (C/2011 W3) De zon vangt tientallen kometen per jaar 16 december 2011 ontsnapte deze komeet aan de plons Op laten deze twee filmpjes de nadering en doorgang achter de zon langs zien 24 december 2011 was de komeet weer fraai aan de nachthemel, ver van de zon, zichtbaar (volgende plaat) 28 januari 2013 Zonnestelsel 63 Lovejoy 28 januari 2013 Zonnestelsel 64 32

33 Leesstof Themanummer planeetatmosferen gezamenlijk van tijdschriften Zenit en Ruimtevaart september 2010 Over planeetatmosferen en nog wat artikelen over het zonnestelsel Los nummer via Achterin zijn boek noemt Govert Schilling nog wat andere literatuur: Fascinerend zonnestelsel, Govert Schilling, Fontaine 2005 The Cambridge Guide to the Solar System 2nd Ed., Kenneth R. Lang, Cambridge University Press 2011 Verduisteringen 28 januari 2013 Zonnestelsel 65 33