Terug naar het begin. Van ontstaan van de aarde naar de oerknal

Transcriptie

1 Van ontstaan van de aarde naar de oerknal

2 Moeder aarde NU

3 Ons zonnestelsel

4 Ontstaan Zon Melkweg ontstaan 12 miljard jaar geleden. Daarna zijn andere kleinere sterrenstelsels, gas- en stofwolken geïntegreerd Zonnestelsel ontstaan 4,5 miljard jaar geleden Zon ontstaan uit grote gas en stofwolk. Mogelijk door een nabije supernova is gas/stofwolk in beweging gebracht. Door gravitatie wordt wolk een roterende platte schijf met een steeds verdere verdichting Verdichting leidt tot hogere temperatuur Als temperatuur oploopt tot 15 miljoen graden Celsius treedt kernfusie op Door kernfusie gaat de verdichte gaswolk licht uitzenden: een ster is geboren. Hoe groter een ster, hoe sneller hij opbrandt Onze zon verbrand 600 miljoen ton waterstof per seconde en heeft voor 9 miljard jaar brandstof

5 Ontstaan zonnestelsel In ster wordt waterstof omgezet in Helium. Als hoeveelheid waterstof afneemt wordt helium omgezet in koolstof, koolstof in Stikstof, stikstof in zuurstof etc. Zodra ijzer wordt gevormd komt er geen nucleaire energie meer vrij; alleen gravitatie blijft over. Ster implodeert. Door de enorme dichtheidstoename wint de afstoting van de kerndeeltjes het van de gravitatie en explodeert de ster. Wat overblijft is een zeer dichte kern (neutronenster) en de wegeslingerde restanten waarbij door de hoge temperaturen (100 biljoen graden) hogere elementen worden gevormd (b.v. goud, platinum, uranium etc). Dit noemt men een supernova. Als ster > 7,6x zonmassa ontstaat een neutronen ster, als ster >15x zonmassa implodeert de kern tot een zwart gat Weggeslingerde restmateriaal zijn bouwstenen voor nieuwe sterren en/of planeten. In ruimte bestaat zichtbare materie voor 75% uit waterstof en 24% uit helium en lithium. Alle andere elementen tesamen vormen 1%van de zichtbare materie. Alle zichtbare materie is slechts 4% van het totaal (23% donkere materie en 73%donkere energie).

6 Ontstaan zonnestelsel

7 Zonnestelsel Rond de zon cirkelden talloze brokstukken in een platte schijf; restanten van een supernova. In de loop van miljoenen jaren klonterden brokstukken samen, vormden zich hemellichamen, hierdoor werd gravitatie sterker en werden meer brokstukken aangetrokken en groeiden de hemellichamen uit tot planeten. De eerste planeten veegden met behulp van de gravitatie hun baan schoon en werden groter en groter. Oftewel de aarde lag tijdens de eerste miljard jaar continu onder vuur van meteorieten en kometen, de restanten van een supernova. Deze meteorieten gaven de aarde zijn metalen, de kometen gaven de aarde water. De vloeibare metalen kern zorgde voor een aardmagnetisch veld dat gevaarlijke straling buiten hield. De aarde was groot genoeg om de waterdamp vast te houden. De aarde kon afkoelen en dat maakte leven mogelijk.

8 Ontstaan zonnestelsel

9 Ontstaan aarde Stof en brokstukken klonteren samen. Botsingen tussen grotere en grotere objecten resulteren in een asteroide

10 Ontstaan aarde Het steeds groter wordende hemellichaam warmt op en begint binnenin te smelten

11 Ontstaan aarde Zware gesmolten metalen deeltjes komen samen en zinken naar het centrum van het hemellichaam. Het lichtere silicium of magma wordt naar de oppervlakte gedrukt. Hierdoor komen de zwaardere mineralen in de mantel terecht.

12 Ontstaan aarde Het resultaat is een gelaagd hemellichaam met een metalen kern en mantel en een aardkorst.

13 Ontstaan aarde Zo n 4,5 miljard jaar geleden kwam aarde in botsing met een planetoïde met ca. 10% massa aarde. Binnenkant planetoïde bevatte vnl. ijzer en buitenkant lichtere materialen. IJzeren binnenkant versmolten met kern aarde. Lichte buitenkant in brokstukken door aarde weerkaatst. Deze brokstukken hebben in de loop der jaren de maan gevormd. Convectiestromen in vloeibare ijzeren buitenkern rond de vaste ijzeren binnenkern vormt een sterk aardmagnetisch veld dat de vorming van leven mogelijk maakte.

14 Ontstaan aarde

15 Ontstaan aarde Aarde beschermd door aardmagnetisch veld en van Allen gordels. Buitenste van Allen gordels electronen en binnenste protonen die zijn ingevangen door magnetische veldlijnen. Deeltjes die niet door aardmagnetisch veld worden afgebogen worden afgevangen door van Allen gordels (electronische spiegel) Veldlijnen zijn resultante van aardmagnetische veldlijnen en veldlijnen veroorzaakt door zonnewind (ook geladen deeltjes)

16 P A U Z E

17 Kosmische achtergrondstraling George Gamov 1948: Als er een oerknal was, dan moet het licht daarvan nog aanwezig zijn Deze uitspraak vergeten totdat in 1965 Penzias en Wilson bij toeval de kosmische achtergrondstaling vonden Penzias en Wilson kregen hiervoor in 1978 de Nobel prijs voor de natuurkunde

18 Kosmische achtergrondstraling Recente nauwkeurige metingen tonen dat intensiteit kosmische achtergrondstraling toch niet geheel identiek is in alle richtingen.. Verschillen in intensiteit achtergrondstraling (van maximaal 0,001%!) tonen verschillen in massaverdeling. Door gravitatie en uitdijing heelal leiden deze verschillen na 1 miljard jaar tot vorming van clusters van sterrenstelsels.

19 Kosmische achtergrondstraling SINDS GISTEREN (Planck satelliet) 3x hogere resolutie en 10x gevoeliger dan WMAP Eerste conclusies: Zichtbare materie 4,9% (4%), donkere materie 26,8% (24,6%) en donkere energie 68,3% (71,4) Leeftijd heelal 13,82 miljard jaar (was 13,72) Hubble constante 67,15 km/sec/megaparsec (was 71) Heelal is vlak

20 Kosmische achtergrondstraling Waar komt Kosmische achtergrond straling vandaan? Kosmische achtergrondstraling zijn de fotonen die zijn overgebleven van het moment dat het heelal doorzichtig werd. Tot jaar na de oerknal bewegen de elektronen vrij. De fotonen worden sterk verstrooid. HET HEELAL IS ONDOORZICHTIG jaar na de oerknal vangen Waterstof- en Heliumkernen de losse elektronen. Er zijn geen losse elektronen meer. HET HEELAL WORDT TRANSPARANT.

21 Oerknal In 1916 publiceerde Albert Einstein zijn algemene relativiteits theorie. Toevoegen van gravitatie aan zijn eerder gepubliceerde speciale relativiteitstheorie Doordat toe de heersende opvatting was dat heelal statisch was voegde hij aan zijn vergelijkingen een kosmologische constante toe die hij 10 jaar later zijn grootste fout zou noemen. Deze constante bood in zijn vergelijkingen een afstotende kracht als tegenwicht aan de gravitatiekracht. Nu blijkt de kosmologische contante de in 1998 ontdekte Donkere Energie precies te beschrijven. Niet alleen massa en onderlinge afstand dragen bij aan de gravitatiekracht maar ook energie en druk Positieve druk draagt bij aan gravitatie maar negatieve druk (naar buiten gericht) werkt omgekeerd en leidt tot een afstotende kracht. Als druk negatief genoeg is wint de afstotende kracht het van de aantrekkende kracht

22 Oerknal In 1927 ontdekte Hubble dat alle sterrenstelsels zich van elkaar verwijderen In 1930 leidde de Belgische priester Georges Lemaître uit Einsteins vergelijkingen af dat het heelal expandeert en dat er een oerknal moet zijn geweest Einstein: Your math is correct but your physics is abominable Door de bevindingen van Lemaître en Hubble te combineren kon men uitrekenen dat het heelal 1,5 miljard jaar oud moest zijn. Er waren toen op aarde al steensoorten gevonden die 3 miljard jaar oud waren Er bleek een structurele fout in de afstandmetingen te zitten. Met nauwkeurige afstanden kan de leeftijd van het heelal op 13,72 jaar bepaald worden

23 De oerknal Melkwegstelsel Corona Borealis Afstand 1,1 miljard lichtjaar km/sec Oerknal: 1,1 miljard lichtjaar : 22000km/sec = 13,7 miljard jaar!

24 Oerknal In 1979 ontdekte Alan Guth dat de energie van een supergekoeld Higgsveld (Die niet nul is) een effect zal hebben op de uitdijing van het heelal. Een Higgs-veld gevangen op een plateau vult ruimte niet alleen met energie maar levert ook een uniforme negatieve druk en dezelfde eigenschappen heeft als de Kosmologische constante! Quantum processen kunnen sprongen van de waarde van het Higgs-veld veroorzaken en bij voldoende grote sprong zal deze veldwaarde van het plateau werpen waardoor energie en druk tot nul kunnen dalen. Dit kan in seconde gebeuren. De kosmologische constante die hierbij hoort bleek keer groter dan dat Einstein had gekozen voor een statisch heelal. HIERMEE WAS DE KNAL VAN DE OERKNALTHEORIE GEVONDEN!! In het begin met grote dichtheid werd energie bevat in een Higgs-veld (ook wel inflatonveld genoemd).op een waarde ver van laagste punt van de potentiële energiekom. Negatieve druk deed heelal opzwellen (van omvang DNA molecuul tot omvang melkweg) in seconde seconde na uitbarsting gleed inflatonveld van hoge energieplateau overal in de ruimte naar nul niveau voor de potentiële energie, daar werd de afstotende kracht uitgeschakeld Tijdens het afglijden gaf inflatonveld de ingesloten energie af aan productie van materiedeeltjes en straling die de ruimte uniform vulden. Het veld zelf zal nooit zijn 0 waarde bereiken (midden grafiek) omdat er dan weer energie bij moet. Er zal dus altijd een Higgsveld zijn die de materiedeeltjes hun massatraagheid geeft.

25 vorming van materie Tijdens de inflatie bleef de energiedichtheid van het snel expanderende heelal gelijk oftewel de totale energie nam recht evenredig toe met het volume van de ruimte. Tijdens inflatie nam ruimte toe met een factor oftewel de inhoud van het volume met (10 30 ) 3 = De energie van het inflatonveld nam dus met dezelfde factor toe. Een klompje van cm en slechts 10kg zou door de inflatoire opzwelling voldoende energie krijgen om alles wat we in het heelal waarnemen te verklaren! Na de inflatie werd energie omgezet in materiedeeltjes. Door uitdijende heelal en de daardoor resulterende afkoeling werden straling en schommelingen van het inflatonveld minder en minder seconde na de oerknal was heelal afgekoeld tot graden en bereikte Higgsveld een constante niet-nulwaarde en konden deeltjes hun massatraagheid krijgen. 1 seconde na de oerknal werden de subatomaire deeltjes gevormd en na 3 minuten de neutronen en protonen. Na verdere afkoeling tot 10 miljard graden begonnen kernfusie processen en werden naast Waterstof kernen ook Deuterium, Lithium en Helium kernen gevormd Omdat wij daarvan precies de verhouding kennen weten wij hoe lang uitdijing en afkoeling tot 15 miljoen graden en dus de kernfusie heeft plaatsgevonden kan dus precies uitgerekend worden hoeveel protonen en neutronen zijn gevormd. Mede daarom weten wij dat donkere materie niet uit ons bekende deeltjes kan bestaan. Na jaar bereikte het heelal een temperatuur van 3000 graden en werden de elektronen ingevangen. Hierdoor konden dus atomen worden gevormd en werd het heelal transparant (fotonen konden vrij reizen) Dit resulteerden in de kosmische achtergrond straling Omdat de afstotende kracht was afgenomen kreeg gravitatie de overhand. Hierdoor ging materie clusteren, ontstonden sterren en al na 1 miljard jaar de eerste sterrenstelsels

26 De oerknal

27 vorming van de ruimte Materie/energie dichtheid bepalen vorm ruimte Kritische dichtheid (5 H-atomen per m 3 ): vlakke ruimte Meer materie: positieve kromming (bol) Minder materie: negatieve kromming (zadel) Voor een vlak heelal moet in begin hoeveelheid materie precies gelijk zijn aan kritische dichtheid. Als in begin KD 99,99% bedroeg was vandaag dichtheid 0, xKD. Dit is nu zeker niet het geval!! Vanuit theorie is heelal dus vlak. Dit komt overeen met waarnemingen

28 vorming van de ruimte Toch blijkt alle materie in het heelal slechts 5% van de totaal benodigde KD te zijn. Geen verschil van duizenden en duizenden maar slechts een factor 20. Uit bewegingen van sterren in andere sterrenstelsels bleek dat er veel meer materie moet zijn dan de zichtbare materie. Dit wordt donkere materie genoemd en zorgt voor 25% van de KD In 1998 werd ontdekt dat de expansie van het heelal versnelt. Hiervoor is een hoeveelheid energie benodigd die precies overeenkomt met de ontbrekende 70% van de KD waarnaar al jaren werd gezocht! Deze energie wordt ook wel donkere energie genoemd en gedraagt zich als Einsteins komologische constante. Een kosmologische constante die 70% van de KD bedraagt is samen met de 25% van donkere materie en 5% van zichtbare materie precies de 100% van de massa/energie die de inflatiekosmologie had voorspeld

29 Kosmische achtergrondstraling

30 Expansie van het heelal Hubble observaties: In het vroege heelal domineerde gravitatie en vertraagde de door de Big Bang veroorzaakte expansie. Sinds 7,5 miljard jaar expandeert het heelal versneld (donkere energie). Deze expansie gaat zelfs sneller dan de lichtsnelheid

31 Expansie van het heelal Speciale relativiteitstheorie van Einstein: De lichtsnelheid is de maximale snelheid in het heelal Deze beperking geldt voor het reizen door de ruimte-tijd Een expansie sneller dan de lichtsnelheid is niet strijdig met Einstein. Het gaat niet om het reizen door de ruimte-tijd maar om de ruimte-tijd die zelf expandeert. Deze expansie geldt alleen op intergalactische schaal. Expansie heelal heeft geen invloed op de baan van de aarde om de zon. NIET DE STERRENSTELSELS BEWEGEN VAN ELKAAR MAAR DE RUIMTE EXPANDEERT!!!

32 Expansie van het heelal De snelheid van de uitbreiding heelal : 7,5 miljoen jaar geleden versnelde de expansie aanzienlijk (buigpunt in grafiek) Verste geobserveerde supernova toont dat na een vertragende expansie de expansie juist was versneld

33 Kosmische achtergrondstraling Temperatuurverschillen jaar na de oerknal Gravitatie maar iets dichtere gebieden worden nog dichter en ijlere gebieden worden nog ijler. Dit worden de Dark Ages genoemd Door gravitatie gas zodanig gecomprimeerd dat kernfusie begint. De eerste sterren geven licht (400 miljoen jaar jaar na oerknal). Meer en meer sterren worden gevormd en groeperen zich rond concentraties donkere materie in een kosmisch web Heden: honderden miljarden sterrenstelsels vullen het heelal. Computersimulaties van materieverdeling op basis van de kosmische achtergrondstraling onder invloed van gravitatie en uitdijing heelal resulteert in wat wij nu waarnemen!

34 Terug naar begin Deze foto (Subaru telescoop Japan) toont in 2009 ontdekte structuur van clusters van sterrenstelsels op 6,7 miljard lichtjaar afstand. Deze structuur gaf verder inzicht in het kosmisch web en over hoe het is ontstaan

35 Terug naar begin Hier zijn de sterrenstelsels die behoren bij de nieuw ontdekte structuur op 6,7 miljard jaar rood gekleurd. De sterrenstelsels die dichterbij of verder weg staan zijn blauw getekend. De witte sterren zijn uit ons melkwegstelsel

36 Terug naar begin Deze 3D illustratie toont de positie van de nieuw ontdekte structuur van sterrenstelsels in perspectief t.o.v. andere stelsels. Duidelijk is te zien dat materie samenklontert in een kosmisch web dat een gigantische draadachtige structuur creëert waarbij onze melkweg volledig in het niet valt.

37 Terug naar begin Ondanks de expansie van het heelal worden sterrenstelsels door gravitatie tot elkaar aangetrokken. Soms leidt dit tot botsingen waarbij de stelsels eerst om elkaar heen dansen om vervolgens een nieuw stelsel te vormen met een gemeenschappelijk zwart gat als kern.

38 Expansie van het heelal De ruimte is veel sneller geëxpandeerd dan de lichtsnelheid. Het heelal is dus veel groter dan we ooit zullen kunnen waarnemen! Het verste sterrenstelsel ooit waargenomen staat op 13 miljard lichtjaar (dus vlak na de oerknal) maar deze afstand is dus slechts een klein stukje van het heelal!

39 Toekomst van het heelal De in 1998 gemeten versnelde expansie van het heelal betekent dat de uitdijing (veroorzaakt door donkere energie ) het wint van aantrekking (door gravitatiekracht) Hoe groter de ruimte hoe groter de donkere energie Uitdijing heelal zal dus nog verder versnellen. Over miljarden jaren zullen er dus veel minder sterrenstelsels aan het firmament staan. Uiteindelijk zal alles uit elkaar gerukt worden, zelfs de atomen. We eindigen in een leeg en koud heelal.

40 Dit is terug van het begin. Heeft u nog vragen?