2/12/2018 Evolutie van het vroege heelal: proces van samenklonteringen vanaf de gelijkmatige verdeling tot de huidige structuur: de vorming van clusters en superclusters in het kosmische web vanaf 10 miljard jaar geleden (z=4) tot nu (z=0). Beeldpunten ter grootte van een sterrenstelsel!! de gloed van de eerste sterren (zgn. Populatie III sterren) op de achtergrond (overbelichtte voorgrond obecten zijn grijs gemaakt) Het vroege heelal Het vroege heelal John Heise John Heise Astrofysicus bij SRON-Ruimteonderzoek Nederland, Utrecht HOVO-Utrecht 9 februari 2018 Astrofysicus bij SRON-Ruimteonderzoek Nederland, Utrecht emeritus hoogleraar Universiteit Utrecht HOVO-Utrecht 9 februari 2018 Hubble Space Telescope HST: Pandora's cluster van sterrenstelsels: gigantische zwaartekrachtlens die de verste structuur blootlegt (Pandora's cluster) Cluster van melkwegstelsels in wording (de stelsels in blauw) plus een paar voorgrondstelsels; op z=0.3, 4 miljard lichtjaar ongebonden structuur: superclusters en het kosmische web botsing van 4 verschillende clusters evenwicht tussen beweging en zwaartekracht (viriaal theorema, leidend beginsel bij struktuurvorming) massa bestaat uit 5 % sterrenstelsels 20% heet gas 75% donkere materie de eerste stappen vanaf de gelijkmatig verdeelde materie in de Oerknal huidige zichtbaarheid van die eerste stappen Pandora's cluster, Abell2744 Pandora's cluster, Blauw= donkere materie (uit zwakke lenswerking, optische telescopen) Rood = heet gas (uit Röntgenstraling, Chandra observatorium) Wit = optische straling van sterrenstelsels (Hubble Space Telescope) Pandora's cluster, Pandora's cluster, Abell2744 Pandora's cluster, Abell2744 met (door sterke lenswerking) de afbeelding van één van de allerverste sterrenstels op z=10 (slechts 600 miljoen jaar na de oerknal) 850 lichtjaar, 500 x kleiner dan ons melkwegstelsel 40 10 zonsmassa's (melkweg 200 miljard) Toch 1 nieuwe ster per 3 jaar (melkweg 1/jaar) 1
dat roept vragen op: Hoe ontstaat de eerste struktuur in het heelal? Wat is eigenlijk de huidige struktuur? zoals clusters en superclusters van sterrenstelsels Hoe kun je donkere materie "zien" hoe werken zwaartekrachtlenzen? Hoe ontstaat het hete gas in een cluster dat Röntgenstraling uitzendt? van sterren tot superclusters van sterrenstelsels 1. open sterhopen (niet gebonden door zwaartekracht) jonge, net gevormde sterren (populatie I sterren; metaalrijk) gevormd uit interstellaire gaswolken, zgn. Giant Molecilar Clouds de dichtstbijzijnde: Pleiaden, zevengesternte ontstaan sterren in open sterhopen, Jeans massa gaswolk, druk p afhankelijk van Temp. grote wolk zwaartekracht overheerst de druk wolk stort in vorming sterren kernpunt is afkoeling: bij lage temperatuur ontstaat fragmentatie: kleinere gebieden worden instabiel en storten sneller in: vorming open sterhopen [zonder afkoeling ontstaan één groot zwart gat] sterren worden geboren als meerlingen Orion Molecular Cloud complex 2. spiraal armen Vb dichtheidsgolf op de snelweg Sterren ontstaan in de file door de dichtheidsverhoging 3. bolvormige sterhopen Oude sterren, populatie II sterren, metaal arm energieverlies door "verdamping" (sterren ontsnappen); daardoor wordt de rest steeds compacter M80 Omega in Centauri Scorpius op 30000 lj afstand met de grootste 1000000 en miljoen sterren sterren 4 miljoen x de massa van de zon verdeling niet afgeplat zoals de melkweg in banen rond het centrum van de melkweg evolutie: geleidelijk steeds compacter 2
De aarde in een bolhoop, rest van het universum onzichtbaar 4. melkwegstelsels (sterrenstelsels) soorten: Elliptische stelsels, groot zwaar, oude sterren (populatie II) spiraal stelsels, jonge sterren (populatie I) Onregelmatige stelsels ESO 325 G004 M101, pinwheel, spiraal Scd de Hubble stemvork Grote Magelhaense wolk 6. lokale groep v. melkwegstelsels Lokale groep van sterrenstelsels ~ 5 miljoen lichtjaar ~25 sterrenstelsels Grote Beer, 20 miljoen lichtjaar afstand 7. clusters van melkwegstelsels Virgo cluster op 50 miljoen lichtjaar afstand 8. superclusters Laniakea, onze eigen supercluster Melkweg 100 3000 sterrenstelsels onder invloed van elkaars zwaartekracht groepen van clusters niet of nauwelijks gebonden door elkaars zwaartekracht bv Virgo cluster ~100 000 stelsels 3
ongebonden structuur: superclusters en het kosmische web grote schaal struktuur: holtes omgeven door muren van galaxies Ieder punt is een sterrenstelsel Het heelal is een gatenkaas! 300 miljoen lichtjaar Het kosmische web survey s van miljoenen stelsels tonen gatenkaas struktuur van het heelal 9. kosmische web simulatie gebied van 300 miljoen lichtjaar 9. kosmische web simulatie, zwart=donkere materie, geel is gewone materie Heelal expandeert materie concentreert Drijvende kracht: zwaartekracht van Donkere Materie voorbeeld: Virgo-cluster 4
ongebonden structuur: superclusters en het kosmische web Viriaal theorema (1) materie valt door zwaartekracht naar elkaar toe en valt steeds harder Voorbeeld: planeten in zwaartekrachtveld van de zon Gravitatie potentiaal, negatief voor bindingsenergie r evenwicht tussen beweging en zwaartekracht (viriaal theorema, leidend beginsel bij struktuurvorming) Centripetale kracht=zwaartekracht 2x bewegings energie K = zwaartekracht energie U 2 K = U Viriaal theorema Een planeet die energie verliest (en dichterbij de zon komt) gaat steeds sneller Viriaal theorema (2) materie valt door zwaartekracht naar elkaar toe en valt steeds harder 2 K = U Viriaal theorema Een sateliet rond de Aarde, die door wrijving in resterende ijle dampkring energie verliest gaat toch steeds sneller Tegen intuitief: energie verlies en toch sneller Viriaal theorema (3) voor een ster 2 K = U of K = ½U Viriaal theorema, K kinetische energie, U zwaartekracht energie kinetische energie: beschrijft het verband tussen temperatuur van sterren Interne energie (zoals de bewegings energie maar ook thermische energie) en de zwaartekracht energie ½ Totale energie is altijd de helft van de zwaartekracht energie. (totale energie is negatief voor gebonden systemen) als een ster straalt, verliest de ster energie en wordt kleiner, dus ook U (meer negatief) maar, dus de straal R wordt kleiner als U meer negatief wordt en K = ½U dan wordt de kinetische energie K groter kernpunt van de evolutie van sterren: een ster, die energie verliest wordt heter en kompakter Viriaal theorema (4) voor een bolhoop Viriaal theorema (5) voor cluster van stelsels als een ster in een bolhoop door botsingen de ontsnappingssneleid bereikt verliest de bolhoop energie, dus wordt ook U (meer negatief) maar, dus de straal R v.d. bolhoop wordt kleiner als U meer negatief wordt en K = ½U dan wordt de kinetische energie K groter kernpunt van de evolutie van bolhopen: door energie verlies krijgt de bolhoop een grotere bewegingsenergie en wordt compakter kinetische energie: beweging van sterren Totale energie is altijd de helft van de zwaartekracht energie. ½ (totale energie is negatief voor gebonden systemen) als het oorspronkelijk homogene gas van de oerknal naar elkaar toevalt wordt het heet (miljoenen tot miljarden graden) en straalt Röntgenstraling uit de meeste gewone materie verwacht je dus als ijl, heet gas in het heelal het is zo ijl, dat de afkoelingstijd groter is dan de leeftijd van het heelal: het is nu nog steeds heet kernpunt van de evolutie van materie in het heelal: het stopt als het heet wordt, pas verdere evolutie als er voldoende afkoeling is 5
massa van het hete gas in cluster van stelsels Cluster Abell 1689 op z=0.18=2.5 miljard lj optisch + infrarood, 34 uur exposure Net als bij planetenbanen, geldt ook voor een sterrenstelsel in een cluster dat (hoe compakter des te sneller is de beweging) We kunnen dus een schatting maken van de totale massa M van het hete gas door het gemiddelde van te bepalen uit Doppler verschuivingen en een gemiddelde R uit de afmeting te halen om daarmee de totale massa te krijgen van het hete gas in de cluster viriaalmassa Dit heet de viriaal massa en is vaak 3 x groter dan de massa van de sterrenstelsels in de cluster. Het hete gas is een dominante factor Abell 1689, Röntgenstraling met temperatuur 100 miljoen K Cluster Abell 1689 op z=0.18, optisch + infrarood bevat een groot deel van de "missing mass"in het heelal "onze cluster", de Virgo cluster bevat een groot deel van de "missing mass"in het heelal ongebonden structuur: superclusters en het kosmische web evenwicht tussen beweging en zwaartekracht (viriaal theorema, leidend beginsel bij struktuurvorming) de eerste stappen vanaf de gelijkmatig verdeelde materie in de Oerknal 6