Inleiding Astrofysica college 5 Methoden Afstanden tot de dichtstbijzijnde sterren zijn >100,000x groter dan tot planeten in ons zonnestelsel Stralen zelf nauwlijks licht uit à miljoenen/miljarden keren zwakker dan moederster Indirecte methoden leveren eerste bewijzen voor exoplaneten (1992-1995) 1
10/25/16 Methoden Radiele snelheidsmethode: ster en planeet draaien om gemeenschappelijke zwaartepunt. De verandering in de radiele component van de snelheid van de ster kan worden gemeten dmv het Doppler effect. Zon is 333.000x zwaarder à 9 cm/s Zon is 1.000x zwaarder à 13 m/s Methoden Astrometrie: ster en planeet draaien om gemeenschappelijke zwaartepunt. De schommeling aan de hemel van de ster kan worden waargenomen dmv astrometrie. Methode is nog niet erg succesvol. ESA missie GAIA: 3D kaart van de melkweg 2
Beweging van de zon rond het zwaartepunt van het zonnestelsel à 1/1000 ste boogseconde op 10 parsec Methoden Timing (Pulsars): ster en planeet draaien om een gemeenschappelijk zwaartepunt. Een pulsar is een aparte ster die als een klok werkt (zie later in college). Doordat de pulsar dichterbij en verder weg staat loopt die klok regelmatig voor en achter in tijd. De eerste exoplaneten zijn op deze manier gevonden 3
Methoden Transit methode: als de orientatie van de planeetbaan precies goed is zien we de planeet voor de ster langs schuiven àeen planeetovergang (Engels: transit) Methoden Duizenden planeetovergangen ontdekt met satellieten French/ESA CoRoT Missie NASA Kepler missie 4
Kepler-11 à 5 planeten, waarvan 5 binnen de baan van Mercurius! Combinatie van transit methode en Doppler methode geeft grootte en massa van een planeet à gemiddelde dichtheid (rotsachtig of gas-achtig?) Diameter = 1.7x Aarde massa = 4.8x Aarde 5
Methoden Direct Imaging: het direct waarnemen van een exoplaneet dmv heel scherpe fotos. Adaptieve optiek + coronograaf (licht van de ster wordt zoveel mogelijk verduisterd). Werkt vooral goed bij jonge planeetsystemen die nog warm zijn van formatie statistiek Exoplaneetstatistieken: Hoe bijzonder is ons zonnestelsel? à >1 op 10 sterren heeft een gasreus zoals Jupiter. à >1 op 3 sterren heeft een planeet zoals Neptunus à meeste sterren hebben rotsachtige planeten. Exacte kopie van ons zonnestelsel is waarschijnlijk wel zeldzaam 6
Methoden Zoektocht naar buitenaards leven 1 Gassen waargenomen zoals water, koolstofmonoxide 2 Warmteverdeling op planeten 3 Wind-systemen 4 rotatie Zoektocht naar buitenaards leven Samenstelling van Aardse atmosfeer verraadt biologische aktiviteit. Kunnen we dit in de toekomst ook op exoplaneten waarnemen? 7
Proxima b! European Extremely Large Telescope - 2024 8
Samenvatting College 4-5 Behandelde onderwerpen: - Mars, water, marsklimaat, Jupiter, Europa, Saturnus, ringen, titan, Uranus, Neptunus, planetoidengordel, kometen, Pluto en de Kuiper-gordel, de Oortwolk, aardscheerders, exoplaneten, de Doppler methode, transitmethode, astrometrie, pulsar timing, astrometrie, direct imaging, exoplaneten statistiek, exoplaneet-atmosferen, zoektocht naar buitenaards leven. Vraagstukken die je nu zou moeten kunnen behandelen: - Waar worden openingen (gaps) in de Saturnusringen door veroorzaakt? - Wat is de Great Red Spot op Jupiter? - Wat is er interessant aan de Jupitermaan Europa? - Wat is er interessant aan Saturnusmaan Titan? - Hoe werkt de radiele snelheidsmethode (Doppler methode)? - Hoe werkt de transitmethode? - Bereken met transit-methode de grootte van de planeet. - Hoe zou je buitenaards leven kunnen herkennen op een exoplaneet? Onze zon Hoe weten we de afstand tot de zon? 1) Oude grieken à de zon staat heel ver weg! 2) Venusovergangen 3) Parallax van Mars 4) Modern: Radarwaarnemingen aan Venus & Mars 1 AE =149.597.871 kilometer à Straal van de zon = 695.500 km 9
Onze zon Hoe weten we de massa van de zon? à De derde wet van Kepler +Newton geeft heel nauwkeurig GM Maar weten we wat G is? Cavendish 1798 à G=6.67428 10 11 N-m 2 /kg 2 M zon = 1.9891 10 30 kilogram (333.000x de Aarde) Onze zon Hoe weten we hoe oud de zon is? à Leeftijd van de Aarde en meteorieten à 4,6 miljard jaar à Vergelijking van grootte, massa (en dichtheid) van de zon met stermodellen. (zie later!) 10
Onze zon De zon als ster: Christiaan Huygens experiment met Sirius Serie kleine gaatjes in scherm à wanneer is de zon even helderder als Sirius? Met een gaatje van 1/27.664 x de diameter van de zon à Sirius staat 27.664x verder weg! à 0.13 parsec Werkelijke afstand is 2.7 parsec Huygens wist niet dat de lichtkracht van Sirius 25x die van de zon is. Had hij dat geweten dan was hij uitgekomen op een afstand van Wat is de energiebron van de zon? 19 de eeuw: chemische reacties (zoals kolen+zuurstof) à de zon kan maar een paar duizend jaar oud zijn. (en dat is veel te kort!) Helmholtz, Kelvin (1854, 1887): Zon krijgt energie van zwaartekracht (inkrimping) à leeftijd van 50 miljoen jaar (nog steeds veel te kort!!) Oplossing door Einstein en Quantumfysica: door enorme druk en temperatuur in het centrum van de zon treden er kernreacties op waarbij massa wordt omgezet in energie volgens 11
Wat is de energiebron van de zon? Waterstof (H) wordt omgezet in Helium (He) 4 1 H à 4 He Massa vooraf: 4 x 1.6726x10-27 kg = 6.6904x10-27 kg Massa achteraf: = 6.6430x10-27 kg --------------------------------------------------------------------------- Verschil: = 0.0466x10-27 kg = 0.007 massa-fractie Hoe oud wordt de zon? Stel hij verbrandt 10% van zijn massa: Energie van zon: 1.9891 10 30 kg x 0.007x0.1 *c 2 = 1.3x10 44 J Lichtkracht = 3.9 10 26 W Leeftijd à 3x10 17 sec = 10 miljard jaar De opbouw van de zon Binnen in de ster: de zon wordt niet groter of kleiner à hydrostatisch evenwicht: De zon is een plasma Gas druk Hoe dieper in de zon Hoe hoger de temperatuur Deze is nodig voor 4HàHe 12
De opbouw van de zon Binnen in de ster: de zon wordt niet warmer of kouderà thermisch evenwicht: Energie productie = lichtkracht Energie productie De opbouw van de zon Binnen in de ster: opaciteit - Hoe lichtdoorlatend is het gas? Veel tegenwerking zorgt voor een heter gas. In de zon botst een foton ongeveer elke cm op een elektron, en wordt verstrooid in een willekeurige richting à random walk. Random walk: N=aantal botsingen Afgelegde weg naar buiten: x 1 cm R=695.500 km = 7x10 10 cm à N=5x10 21 C=300.000 km/sec à reistijd = 5000 jaar (eigenlijk nog veel langer!) 13
De opbouw van de zon Binnen in de ster: energietransport Granulatie = convectiecellen Helioseismologie (asteroseismologie) hoe we binnen in een ster kunnen kijken Frequenties van trillingen hangen af van dichtheid als functie van straal 14
De opbouw van de zon De fotosfeer van de zon: de buitenste laag van de zon die we kunnen zien (als functie van golflengte). Zonnevlek Randverzwakking (limb darkening) Hoe diep kunnen we in de zon kijken? Optische diepte: Absorptie coefficient (cm 2 /g) (opacity) Dichtheid (g/cm 3 ) Weglengte door gas/medium I 0 I Fotosfeer: Dichtheid = 3.0e-7 g/cm^3 k=0.1 g/cm^2 15
Magnetisch veld en zonnevlekcyclus (11 jaar) 16
Zonnevlekken en ons klimaat Kleine ijstijd! Flares en protuberansen De zonnecorona is heel heet à 1x10 6 graden 17
Zonnestormen en Noorderlicht Differentiele rotatie 18