Eindpunt van een ster Project voor: middelbare scholieren (profielwerkstuk) Moeilijkheidsgraad: Categorie: Het verre heelal Tijdsinvestering: 80 uur
Inleiding Dit is een korte inleiding. Als je meer wilt weten over supernovae en hoe ze ontstaan kun je de weblinks onderaan dit document (over supernovae en sterevolutie) doorlezen. Deze teksten gaan wat dieper op de materie in en kunnen op sommige punten misschien moeilijk zijn. Wat is een supernova? Als een zware ster aan het einde van zijn leven is gekomen, verandert deze in korte tijd in een zeer klein object met een zeer hoge massa. Een groot deel van de materie waar de ster uit bestaat zal de ruimte in worden geblazen door de explosie die hierbij onstaat. De energie die hierbij vrijkomt is zo gigantisch dat dit een van de meest heftige systemen is die we in de sterrenkunde kennen. Deze ontploffingen zijn zeer heftig. Ze worden supernovae (enkelvoud: supernova) genoemd. Vroeger werd gedacht dat hierbij een zeer heldere nieuwe ster ontstond. De naam komt dan ook van het latijnse woord nova, dat nieuw betekent (het is de 'super' variant van een nieuwe 'nova' ster). Na de ontploffing blijft een neutronenster of zwart gat (zie definties op de website) over. Dit zijn kleine objecten met een zeer hoge massa. Het optreden van een supernova in een sterrenstelsel is vrij zeldzaam. Dit gebeurt ongeveer een keer per eeuw. In onze melkweg is het sinds het begin van onze jaartelling slechts enkele keren een supernova waargenmomen. Sommige supernovae kunnen als 'standaardkaarsen' dienen. Hierdoor kan de afstand tot het stelsel waarin ze voorkomen bepaald worden. Dit geeft ons weer informatie over de afstanden in het heelal. Dit project zal beginnen met een redelijk groot theoretisch gedeelte. Uiteindelijk moeten we zo ver komen dat we weten waar we een grote kans hebben een supernova te kunnen zien. Als dat niet lukt zullen we een al bekende supernova waarnemen. Aan het werk... Vragen: Eerst zullen we een paar vragen stellen waarmee je kunt oefenen met de formules en begrippen. Daarna zijn er een aantal vragen die je voorbereiden om een supernova waar te nemen. Als je een woord niet begrijpt of een formule zoekt kun je op de website in het woordenboek kijken. Als je er niet uit komt kun je je leraar om hulp vragen. Zoals we in de theorie hebben gelezen kunnen bepaalde supernovae gebruikt worden om afstanden in het heelal te bepalen. Een supernova waarmee we dit kunnen doen noemen we een 'standaardkaars'. Inleidende theoretische opdrachten Laten we eens kijken naar een kaars. We nemen aan dat deze kaars alle kanten op even veel licht uitzendt (deze aanname zorgt ervoor dat onze kaars erg op een ster lijkt). De kaars straalt in totaal een vermogen van 15 Watt uit. Je gaat op 10 cm van de kaars af zitten 1. Als je een vierkantje van 1 cm 2 uit een papiertje knipt en je kijkt hier doorheen naar de kaars,
wat is de hoeveelheid energie die er op deze afstand door dit gaatje komt? 2. Beantwoord vraag 1 ook in de situatie waarbij je op 20 cm van de kaars af zit (en dus vanaf die afstand kijkt). Stel je nu voor dat je naar een kaars zit te kijken door het eerder genoemde gaatje van 1 cm 2. Je ziet dat er per seconde 1,5*10-2 J doorheen komt. 3. Reken de afstand tot de kaars uit. De manier waarop je net de afstand tot de kaars hebt berekend is eigenlijk hetzelfde als de manier waarmee men in de sterrenkunde de afstand tot een 'standaardkaars' bepaalt. Lees het stukje op de website over afstanden en ga door met de volgende vraag. De zon staat op 1 Astronomische Eenheid van de aarde af. Wij meten hier op aarde een energie van 1367 J per seconde per m 2. 4. Reken uit wat de totale intrinsieke helderheid van de zon is (dit is het totale vermogen dat de zon uitstraalt). 5. Als de zon op 1 parsec zou staan, hoeveel energie per seconde zouden wij hier op aarde dan meten? Lees op de website het stukje over Magnituden en helderheid. Beantwoord hierna de volgende vragen. 6. Een supernova met een absolute magnitude van -8 gaat af in een sterrenstelsel op 2 kpc (=2 x 10 3 parsec) af. We willen deze supernova bekijken met een telescoop met een grensmagnitude van 17,5. Is het mogelijk om deze supernova waar te nemen? 7. Is het mogelijk dezelfde supernova waar te nemen wanneer de afstand niet 2 maar 4kpc is? Praktische opdrachten Voor de volgende vraag moet je wat dingen opzoeken. Je kunt hiervoor het internet gebruiken. Je kunt het best beginnen met de websites die onderaan dit document gegeven zijn. 1. Vul de onderstaande tabel in wat je van de verschillende typen supernova te weten kunt komen. a. Bij Plaats voorkomen wordt gevraagd in welk type melkwegstelsel een supernova plaatsvindt. Je hebt de keus uit spiraal, elliptisch, lensvormig of geen voorkeur. Ook moet je hier aangeven of de supernova binnen het melkwegstelsel een voorkeursplaats heeft. Denk hierbij bijvoorbeeld aan spiraalarmen, centrum, rand, enz. b. Bij percentage van de supernovae moet je invullen welk percentage van de supernovae optreedt in een bepaald type. Dit getal mag er een aantal procenten naast zitten. c. Bij specifieke kenmerken moet je de kenmerken opschrijven die een bepaald type supernova onderscheiden. Geef hier in ieder geval aan of het type als standaardkaars kan worden gebruikt en op welke wijze het ontstaat. Zoek ook op wat de vorm van het spectrum is.
Type Plaats voorkomen Percentage van de supernovae (ongeveer) Ia Specifieke kenmerken (denk aan: wel of geen standaard helderheid, zeer helder of juist zeer zwak, vorm van het spectrum, etc.) Ib Ic II
2. Wat betekent de kleur van een ster in termen van leeftijd? En kun je op basis hiervan voorspellen in welke kleur sterrenstelsels welke supernovae plaatsvinden? 3. Vergelijk de antwoorden van vraag 1 met je antwoord op vraag 2. Geef aan welk type supernova de grootste kans heeft om waargenomen te worden en wat de kenmerken moeten zijn van een stelsel waarin zo n supernova voorkomt. 4. Zoek een dertigtal objecten op in de NGC-catalogus waarin een grote kans is om een supernova te vinden. Om dit te doen moet je eerst naar www.ngcic.org. Klik op Observing list generator. Zoek in het vakje constellation en sterrenbeeld op dat gedurende de nacht dat je waar wilt nemen zichtbaar is. Selecteer bij Object type de optie Galaxy. Bij Magnitude limit kies je de grensmagnitude van je telescoop (deze magnitude is 16). Klik op Generate Observing List. Je krijgt nu een lijst van objecten. Kies de grote objecten om waar te nemen. Het beeldveld van de telescoop is 20 bij 15 boogminuten dus als het je lukt om meerdere objecten binnen je beeld te krijgen is dat mooi meegenomen. Laat dit controleren door je begeleider(!). 5. Ga dit veld waarnemen. Hoe kun je uitzoeken of je een supernova hebt waargenomen? Als je een supernova hebt gevonden, laat dit controleren en ga door naar 8 6. Als je geen supernova hebt waargenomen, ga dan naar http://www.rochesterastronomy.org/snimages/. Wat zijn de drie meest balangrijke dingen die je van tevoren op kunt zoeken en waar je rekening mee moet houden wanneer je wilt bepalen of je een supernova wel of niet kunt waarnemen? Vind voor elk van deze zaken een supernova die op de website staat. Hint: een van deze argumenten heb je bij de eerste vragen al eens gebruikt, het tweede heeft ermee te maken dat je naar een object tussen de sterren zoekt en het derde heeft te maken met de eigenschappen van de telescoop en de camera. Zoek ook een supernova uit waarvan je denkt dat je die wél kunt waarnemen en laat dit controleren. 7. Maak een opname van je supernova in verschillende filters (= kleuren). Download de lichtcurve van http://www.rochesterastronomy.org/snimages/ en teken jouw waarnemingen hierin. Komen je meetpunten overeen met wat je zou verwachten (leg uit)? 8 Bepaal de kleur en helderheid van deze supernova. Hoe ver staat de supernova van ons af (zoek dit op)? Bereken de absolute magnitude van de supernova. Extra opgave (Als de lichtkromme van de supernova al enige meetpunten bevat) Zoek de piek op van de lichtkromme en bereken de absolute magnitude van je supernova in de piek.
En wat nu? Nu dit project succesvol is afgerond nog even een verzoek. Mensen van andere scholen of sterrenkunde verenigingen zijn altijd erg benieuwd naar de waarnemingen van anderen. Sommige waarnemingen kunnen zelfs voor wetenschappers van groot belang zijn. Daarom vragen we je om je waarnemingen te posten op www.sterlink.nl. Alle verenigingen en scholen die hierbij zijn aangesloten kunnen dan zien wat je gedaan hebt en kunnen je eventueel ook feedback geven over hoe je je waarneming nog zou kunnen verbeteren. Alvast vriendelijk bedankt. We hopen dat je genoten hebt van dit project. Het Einsteinflits team. Literatuurverwijzingen De benodigde websites. Informatie over supernovae http://www.nmm.ac.uk/site/request/settemplate:singlecontent/contenttypea/conwebdoc/contentid/300 http://www.pha.jhu.edu/~qzhang/seminar1bfigs/seminar1bfigs.html http://en.wikipedia.org/wiki/supernova Informatie over sterevolutie http://www.astunit.com/tutorials/stellar.htm http://www.maa.mhn.de/scholar/star_evol.html http://en.wikipedia.org/wiki/stellar_evolution http://members.aol.com/gca7sky/stars.htm#evolution Overige brukbare websites http://www.rochesterastronomy.org/snimages/ www.ngcic.org