Overzicht (voorlopig) Vandaag: Frank Verbunt Het heelal Nijmegen 2015

Transcriptie

1 Vandaag: Frank Verbunt Het heelal Nijmegen 2015 vroedvrouwen in Nijmegen zwaartekracht vs. druk het viriaal theorema energie-transport kernfusie Overzicht (voorlopig) 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, 25 maart / 32

2 massa-straal en massa-lichtkracht relatie Hoofdreeks Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

3 Hipparcos lichtkracht-temperatuur diagram Voorbeeld en maatgever: Zon L = W M = kg R = km T eff, = 5780 K Voor hoofdreeks-sterren: ( ) 0.6 R M R M ( ) 3.8 L M L M Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

4 Structuur van een ster: drukverschil vs. zwaartekracht drukverschil en zwaartekracht beschouw een bol van gas de zwaartekracht probeert het oppervlak naar binnen te trekken om dit te verhinderen moet er een kracht naar buiten zijn dit is het verschil tussen druk P c in het centrum en druk P o aan het oppervlak héél ruw (met M ρr 3, enp c P o ): Zéér ruwe schattingen Voor de Zon is de centrale druk, met G = m 3 kg 1 s 2 P c, GM 2 R N m 2 vgl. waarde uit gedetailleerde berekening: N m 2. Dit is wat hoog... Reden: centrale dichtheid is hoger dan gemiddelde dichtheid. P c P o R GM R ρ 2 P c GM2 R 4 Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

5 Structuur van een ster: druk en temperatuur druk van ideaal gas 1 deeltje botst loodrecht op muur: kracht is 2mv aantal deeltjes dat op muur botst evenredig met: deeltjes-aantal n snelheid v ( muur) druk: P nmv 2 middelen invalshoeken: P = 1 3 nmv2 nkt = k ρt (1) m i.e. definitie van temperatuur: 1 2 mv2 3 2 kt Voor de Zon Gemiddelde dichtheid: ρ = M 4π 3 R = 1400kg m 3 3 Met de centrale druk en dichtheid: GM 2 R 4 GM ρ k R m ρ T c, volgt de centrale temperatuur T c, m k GM R K correcte waarde K Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

6 Structuur van een ster: druk en temperatuur Andere hoofdreeks-sterren ρ = M ( ) 3 ( ) 0.8 R M = ρ M R M T c = M ( ) 1 ( R M = T c, M R M ( ) 2 ( ) 4 ( P c M R M = = P c, M R M ) 0.4 ) 0.4 Schaling hoofdreeks-sterren ( ) 0.6 R M R met L L M ) 3.8 ( M M ( ) 2 ( ) 4 L R Teff = L R T Teff, Dus voor zwaardere sterren is de dichtheid en centrale druk lager en de centrale temperatuur (iets) hoger volgt ( ) 0.65 T eff M = T Teff, M Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

7 Het viriaal-theorema een wolk in evenwicht thermische energie per deeltje 1 2 mv2 = 3 2 kt de snelheid van de deeltjes leidt tot uitdijing de zwaartekracht leidt tot krimpen in evenwicht compenseren snelheid en zwaartekracht elkaar: verband tussen thermische energie E th en potentiele energie zwaartekracht E pot : Een wolk van gas in evenwicht viriaal-evenwicht: E pot = 2E th totale energie E tot = E pot + E th = E th als totale energie kleiner wordt, wordt de thermische energie groter! gevolg: een wolk kan alleen krimpen als er energie wordt verloren, door uitzenden straling Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

8 Structuur van een ster: koeling en energie-transport Energie straling van het oppervlak kan gemakkelijk ontsnappen straling in het centrum kan veel minder gemakkelijk ontsnappen daardoor is oppervlak kouder gevolg: energiestroom van binnen naar buiten als gas doorzichtig is, levert straling de energiestroom als gas erg ondoorzichtig is: convectie opengewerkte zon centrum zon: radiatief buitenlaag: convectief Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

9 Wisselwerking straling en materie Atoom electronen in banen om kern electron vangt foton: springt naar hogere baan electron zendt foton: springt naar lagere baan door botsing springt electron naar hogere of lagere baan gevolg: evenwicht tussen aantal fotonen en temperatuur (snelheden!) van gas aantal fotonen per m 3 gaat met T 4 atoom = kern + electronen zeer hoge temperatuur = zeer hoge snelheden atomen = alle electronen losgeslagen: geïoniseerd gas heet gas zeer doorzichtig Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

10 Structuur van een ster: koeling en energie-transport Stralings-diffusie in heet gas: veel fotonen per kubieke meter in koud gas: minder fotonen per kubieke meter centrum ster heet; oppervlak koud: diffusie van straling naar oppervlak zonder energie-productie verliest de ster energie en krimpt om hetzelfde te blijven is energie-productie nodig Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

11 Straling of convectie? Hangt af van massa van de ster Conditie voor convectie gas ondoorzichtig: stralings-transport inefficient temperatuursverschil erg groot energie-transport door gas-stroming: convectie Convectie houdt in: heet gas stroomt naar buiten koel gas naar binnen Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

12 De energiebron: kernfusie Van waterstof naar helium in stappen Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

13 De energiebron: kernfusie De CNO cyclus netto: 4p 4 He + 2e + + 2ν e Netto-reactie identiek massa s in kg: 4 protonen elektronen samen: He kern deficit: deficit per proton: =0.71% energie per proton c 2 = J energie per neutrino: J Zonslichtkracht J/s neutrino s/s: π AU 2 = cm 2 neutrino s/s /cm 2 : Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

14 De structuur van de Zon Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

15 Vergelijking theorie en waarnemingen helio-seismologie (zie film) golven langs oppervlak en dieper lopende golven geven geluids-snelheid c s (r) observed sound-speed KLOPT! c s (r) 2 = k m T(r) dus T/m als functie van r (m gemiddelde massa deeltjes) knik op r/r 0.7: overgang radiatief naar convectief daling c s in centrum: m hoger door meer helium Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

16 Rotatie van de inwendige zon uit helioseismologie Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

17 Detectie van neutrino s: Superkamiokande Geschiedenis Masatoshi Koshiba 1980 Kamiokande, 2140 ton water, photomultiplier tubes (PMT) 1986 Kamiokande II, 3000 ton water, anti-conicidentie bevestigt Davis: 50% zonne-neutrino s neutrino s SN1987A 1996 Super-Kamiokande, ton water, PMTs ν-oscillaties zonne-neutrino s Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

18 Vergelijking theorie en waarnemingen voor de Zon Neutrino s met SuperKamiokande uit alle richtingen komen neutrino s voornamelijk door radio-aktiviteit van rotsen extra neutrino s uit richting Zon aantallen kleiner dan verwacht: overgang in andere neutrino-smaak (drie smaken: electron-, muon-, tau-neutrino s) observed neutrino-flux Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

19 Families van van neutrino s: Superkamiokande Het standaard-model protonen en neutronen zijn geen elementaire deeltjes ze bestaan uit quarks: proton = uud neutron = udd u, d, electron e en electron-neutrino ν e vormen 1 familie er zijn nog twee zwaardere families! c, s, µ en ν µ t, b, τ, ν τ in het standaard-model hebben de neutrino s ν e, ν µ en ν τ geen massa Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

20 Families van van neutrino s: Superkamiokande ν-oscillaties kosmische straling maakt boven in atmosfeer ν µ vrij. weglengte naar Kamiokande hangt af van plek oorsprong. cosmic rays produceren ν µ neutrino s in atmosfeer neutrino s vliegen dwars door aarde heen: van alle kanten in detector minder van onder dan van boven: ν µ overgegaan in ν τ verschil in massa m: ev < mc 2 < ev (Vgl. proton: 1 GeV) Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

21 Structuur van een ster: samenvattend 2 evenwichten in ster hydrostatisch evenwicht: drukverschil zwaartekracht energie-evenwicht: productie verlies Verder hebben we in de ster energie-transport straling: opaciteit van de materie convectie druk als functie van temperatuur en dichtheid opaciteit als functie van temperatuur en dichtheid Viriaal-theorema (les 4, p.7,8) geen energiebron: gasbol verliest energie en krimpt bij verlies van totale energie wordt de thermische energie groter Massa-lichtkracht (Vgl.??) (theoretisch) L = 16πσ 3κ ( ) 4 mg M 3 (5) m is gemiddelde massa per deeltje k Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

22 Structuur van een ster: evolutie onvermijdelijk! voor elke bolschil bereken: bereken drukverschil uit zwaartekracht temperatuurverschil uit energietransport energie-productie uit kernfusie voor hele ster evenwicht energie-productie in binnenste en -verlies aan oppervlak Waarom evolutie? door kernfusie verandert de chemische samenstelling daardoor veranderen druk en opaciteit dus verandert de structuur van de ster Stappen: bereken structuur van de ster bereken met kernfusie de verandering in chemische samenstelling van ster bereken nieuwe structuur... etc. Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

23 Gas en stof tussen de sterren: Orion Barnard s lus... diffuus rood licht =Hα: proton vangt electron Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

24 blauw licht: verstrooid sterlicht Orion-Gordel en Paardekopnevel APOD Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

25 Orion nevel en trapezium sterren zij-aanzicht voor-aanzicht (vanaf Aarde) Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

26 Moleculaire wolken in Orion Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

27 Globules van Thackeray APOD Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

28 Donkere wolken optisch en infrarood: Barnard optisch Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) infrarood Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

29 Ontdekking van ISM: absorptie en emissie Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

30 Stervorming door drukgolf spiraalgolf NGC3370 botsende sterstelsels M51 Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

31 Stervorming door drukgolf: Cartwheel-galaxy Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32

32 Protosterren: schijven en jets HH = Herbig-Haro Frank Verbunt (Sterrenkunde Nijmegen) Het heelal Nijmegen, 25 maart / 32