AA5 Thema 2 Het heelal observeren deel 2

• Aardrijkskunde
• Secundair onderwijs

Waar bevinden wij ons in het immense heelal?

Wat kunnen we observeren aan de hemel? (overdag of 's nachts?)

Om deze vraag te kunnen beantwoorden vertrekken we eerst vanuit de eigen waarneming.

Wat kunnen wij observeren aan de hemel (s’ nachts of overdag)? Maan en venus…

eol.jsc.nasa.gov

Het ISS (international space station) is een permanente basis in de ruimte, dicht bij de aarde. Het kwam tot stand door internationale samenwerking en is constant bewoond. De astronauten/wetenschappers aan boord houden zich bezig met (levende) materie en bestuderen hoe deze zich in het luchtledige gaat gedragen. Het ISS is zichtbaar vanop aarde.

Foto links onder: Starlink: satelliettrein Elon Musk (wil 42 000 satellieten in ruimte -> doel: overal snel internet). Veel protest: belemmering zicht astronomen en botsingen => ruimteafval. 

Nu (2023): 5000 satellieten, waarvan de helft van SpaceX.
 

satellitemap.space

Weblink naar satelliet tracker voor onder andere starlink en gps.

App: Satellite tracker

Sterrenbeelden of constellaties zijn niets meer of minder dan sterren met gelijkaardige lichtsterkte waar mensen in de oudheid een bepaalde figuur in zagen. Deze figuur werd dan gelinkt aan de mythologie. Daarnaast werden deze gebruikt als kaarten voor zeevaarders. Hier zie je de kleine beer en de grote beer. De top van de ‘staart’ van de kleine beer wordt gevormd door de poolster. Deze staat ongeveer perfect in het verlengde van onze aardas waardoor zij altijd richting het noorden wijst.

De veronderstelde verbanden tussen de stand van de hemellichamen of de tekens van de dierenriem en het lot van de mensen en gebeurtenissen op aarde, hebben geen enkele wetenschappelijke waarde. In werkelijkheid bevinden ze zich op zeer uiteenlopende afstanden van ons en hebben ze niets met elkaar te maken.

Het Forer-effect laat zien dat niet de sterren, maar het geloof in de astrologische stereotypen aan de basis ligt van karaktereigenschappen van mensen.

stellarium-web.org

Beste app: Star Walk 2

App: stellarium: nog beter

In het evenaarsgebied waar lichtpollutie of lichtvervuiling (= te veel aan artificieel licht zoals straatlantaarns en dergelijke) ontbreekt is het mogelijk om een deel van het melkwegstelsel te zien. Ons zonnestelsel bevindt zich in één van de armen van dit sterrenstelsel.

Lichtpollutie van West-Europa vanuit de ruimte

Mensen van over de hele wereld kijken met grote ogen naar de eclips of zonsverduistering. Let op de speciale brillen; het is immers gevaarlijk voor onze ogen om te lang in de zon te kijken.

Foto van de eclips of zonsverduistering. Dit astronomisch fenomeen volgt een bepaalde cyclus en komt meerdere malen in een mensenleven voor. Bij een totale zonsverduistering blokkeert de maan het licht afkomstig van de zon. De eclips geeft ons de mogelijkheid om de corona en eventuele zonnevlammen van de zon te zien.

Het noorder- of zuiderlicht (aurora borealis/australis) is een natuurkundig fenomeen dat voorkomt in het hoge noorden/zuiden. Het wordt veroorzaakt door energierijke deeltjes afkomstig van de zon die botsen met het aards magnetisch veld. De spectaculaire lichtpatronen zijn het gevolg van dit ‘bombardement’.

Linksboven: Een planetoïde of asteroïde is een rotsblok dat in de ruimte een baan rond de zon volgt. Deze komen meestal samen voor (zie planetoïdengordel).

Linksonder: een komeet is een vuile sneeuwbal van bevroren gas en stof, afkomstig uit een kometenreservoir (zie verder). Wanneer deze wordt verstoord gaat deze in een sterk elliptische baan rond de zon vliegen; door de stijgende temperatuur dichter bij de zon gaat deze smelten. Dit uit zich tot 1 a 2 staarten (die altijd weg van de zon staan).

Midden: Een meteoriet is eigenlijk het overschot van een inslag bij botsing van een planetoïde (dan meteoor) en ons aardoppervlak.

Rechts: Kleine brokstukken uit de ruimte kunnen botsen met onze atmosfeer. Door de wrijving gaan ze fel verhitten en branden deze meestal volledig op: we spreken van vallende sterren.

Welk hemellichaam zie je op de foto?

Welk hemellichaam zie je op de foto?

Welke hemellichamen zie je op de foto?

Welk hemellichaam zie je op de foto?

www.standaard.be

edition.cnn.com

• Sample Bennu (= asteroide): zelfde ontstaansperiode als aarde. 
• 250 gram buitenaards stof. 
• Onderzoek: Hoe komt water op onze planeet? 

Zonnestelsel: ontstaan

• = stof - en gasnevel
• onregelmatig samentrekken door F_z => geheel ronddraaien
• => nevel afgeplat tot schijf met centrale bol
• Protoplaneten = beginnende planeten (ontstaan uit verklontering materiedeeltjes)
• vaste klonters botsen = terrestrische of rotsplaneten (lichtere deeltjes weggeblazen door straling zon)
• gasreuzen (gas in buitenste zone)

Structuur van de zon

• kernfusie: (H-> He)
•  => stralingsenergie (na 1 miljoen jaar vertrek uit zon als elektromagnetische straling)
• Fotosfeer = zonneopp 
• Zonnevlekken = donkere vlakken (4 000°C), in- en uitgangen zonnevlammen
• Chromosfeer = onderste laag atmosfeer zon (hoort bij fotosfeer)

Structuur van de zon

• Protuberans = zonnematerie door hoge P en T in  ruimte geslingerd, maar door Fz  terug naar zon getrokken (lussen)
• Zonnewind = stroom van geladen deeltjes die ontsnapt aan het zonneopp, aarde beschermd door aardmagnetisch veld, behalve aan polen (=> poollicht)
• Corona = buitenste deel zonneatmosfeer

• Protuberansen zijn de vaak boogvormige materieslierten/bogen/bruggen die gevangen zijn in magnetische veldlijnen van de zon. Aan de voet van zo'n protuberans bevindt zich een zonnevlek, daar komen de veldlijnen uit de diepte aan bij het afgekoelde oppervlak en het zijn vaak twee zonnevlekken waartussen zo'n boog van magnetische veldlijnen en plasma oprijst.
• Als de veldlijnen echter 'knappen' komt die energie in een klap vrij: een zonnevlam. Wordt bij een zonnevlam echter ook veel plasma uitgestoten dan kan die deeltjesstroom hier zorgen voor meer poollicht. 

• Oudheid: geocentrisme vs heliocentrisme
• Nu: zonnestelsel (zon is onderdeel van heelal en staat niet centraal)
• Plasma:  Deze aggregatietoestand wordt ook wel 'gasontlading' genoemd en komt zeer veel voor in de natuur; afgezien van donkere materie, bestaat 99% van de bekende massa in het heelal uit plasma. = geïoniseerde atomen (=atomen met elektronen minder)
• Kernfusie is  het samensmelten van atoomkernen, waarbij een zwaardere atoomkern met een hoger atoomnummer wordt gevormd. De zon zet per seconde ongeveer 700 miljoen ton waterstof via kernfusie om in circa 695 miljoen ton helium. Het massaverlies, rond de 4,4 miljoen ton, komt overeen met de vrijgekomen bindingsenergie.
• 
  

Hoe noemen we dit fenomeen?

Hoe noemen we dit fenomeen?

Upload een foto van een zonnevlek

Hoe groot is de afstand tussen de aarde en de zon?

De afstand tussen de aarde en de zon is ongeveer honderdvijftig miljoen kilometer. Dat is een groot getal en daarom gebruiken sterrenkundigen de astronomische eenheid om deze afstand uit te drukken. Eén astronomische eenheid, of 'AE', is de afstand tussen de aarde en de zon.

www.interactiveexplainers.com

Simulatie lichtjaar: Proxima Centauri - Aarde

boardbooks.vanin.be

Simulatie zonnestelsel

Tip: Deeltje na Aarde eventueel doorspoelen bij de grote planeten.

Zonnestelsel = planetenstelsel

Planeet: 3 voorwaarden:

1. het object draait in een baan om de zon
2. voldoende massa om door de eigen zwaartekracht een bolvorm aan te nemen
3. heeft puin in zijn baan opgeruimd

Indien niet = dwergplaneet

Welke planeten lijken het meest op onze aarde?

Mercurius, Venus en Mars 

Welke planeet in ons zonnestelstel heeft de grootste omvang?

De Maan is de enige maan (natuurlijke satelliet) van de Aarde en van de manen van het zonnestelsel de vijfde in grootte. Ze wordt soms aangeduid met haar Latijnse naam Luna.

De meeste manen in het zonnestelsel zijn erg klein in verhouding tot de planeet waarom ze heen draaien. De Maan is daarop een uitzondering: de massa van de Maan is 1/81 van die van de Aarde. Daarom worden de Aarde en de Maan wel eens als dubbelplaneet aangeduid. Het gemeenschappelijk zwaartepunt waar de Aarde en de Maan omheen draaien, ligt echter nog binnen de Aarde. Alleen bij de dwergplaneet Pluto en zijn maan Charon is de maan naar verhouding nóg groter, namelijk 1/8 van de planeetmassa, en ligt het gemeenschappelijk zwaartepunt buiten Pluto.

Maan = hemellichaam die in een baan rond een planeet draait

In Japan is vannacht (26/08/23) een raket gelanceerd naar de maan. Aan boord zat een kleine maanlander, die normaal begin volgend jaar aankomt op de maan. Vorige maand kon India al als eerste land ooit landen op de zuidpool van de maan. Japan wil nu bewijzen dat ook zeer precieze maanlandingen mogelijk zijn.

Hoe lang duurt 1 omwenteling van de maan rond de aarde?

Dit duurt ongeveer 28 dagen.

Geeft de maan licht? Verklaar!

Nieuwe 

maan

Jonge maan(sikkel)

Eerste kwartier

Wassende maan

Volle 

maan

Afnemende maan

Laatste kwartier

Asgrauwe maan

Nieuwe 

maan

De verschillende schijngestalten van de Maan. De afbeeldingen onderaan tonen de Maan zoals ze eruitziet vanaf het noordelijk halfrond. 1: nieuwe maan (maan tss de aarde en de zon, achterkant wordt belicht). 2: jonge maansikkel. 3: eerste kwartier (belichte deel: p = premier). 4: wassende maan. 5: volle maan (aarde tussen maan en zon). 6: afnemende maan. 7: laatste kwartier (d=dernier). 8: asgrauwe maan. 9: nieuwe maan

stars.chromeexperiments.com

Overzicht melkweg

Verhouding melkwegstelsel met oortwolk en kuipergordel

Ons zonnestelsel wordt begrensd door 2 kometenreservoirs. Dit zijn eigenlijk niets anders dan zeer brede bandvormige zones met daarin miljarden bevroren planetoïden. Bij een verstoring kan één zo een brokstuk in een andere baan om de zon terechtkomen en dan spreken we van een komeet. De kuipergordel is het dichtste reservoir; de oortwolk de verste.

Ons zonnestelstel eindigt dus op ongeveer 100.000AE met de oortwolk.
 

Deel 2

Uit hoeveel sterren bestaat de Melkweg ongeveer?

boardbooks.vanin.be

Link naar WB p. 29: schematische voorstelling heelal

• 30 AE = 4,5 miljard km
• Dichtstbijzijnde ster: 4,3 lichtjaar van ons
• diameter Melkwegstelsel: 100 000 lj   -> wij in Orionarm
• Melkwegstelsel, Andromedanevel (gelijkend en nabij sterrenstelsel) + 28 andere sterrenstelsel vormen cluster Lokale groep
• Ruimte: +/- 2 biljoen sterrenstelsels, waarschijnlijk 92 miljard lichtjaar groot, 5% is slechts begrepen want veel donkere materie en energie

Sterren zoals onze zon zijn georganiseerd in grote groepen: we noemen dit dan een sterrenstelsel. Deze worden ingedeeld op basis van hun uiterlijk voorkomen: een spiraalstelsel (boven)bv. de melkweg, elliptisch stelsel (linksonder) Leo I (Messier) of een onregelmatig stelsel (rechtsonder) bv. Grote Magelhaense wolk.

Verschillende sterrenstelsels die (relatief) dicht bij elkaar liggen vormen een cluster. Onze melkweg bevindt zich in onze cluster: de lokale groep. De ruimte is opgebouwd uit miljarden van deze clusters; clusters die dichtbij elkaar liggen noemen we dan weer superclusters.

Geef een synoniem voor het begrip "heelal"

deel 3

1.4 Het ontstaan en evolutie van het heelal

Hoe is het heelal ontstaan?

Hoe oud is het heelal?

De oerknal of big bang is de populaire benaming van de kosmologische theorie die op basis van de algemene relativiteitstheorie aannemelijk maakt dat 13,8 miljard jaar geleden het heelal ontstond uit een enorm heet punt (ca. 1028 K), met een bijna oneindig grote dichtheid, ofwel een singulariteit. Tegelijkertijd met de oerknal zouden ruimte en tijd zijn ontstaan. Het is wiskundig te formuleren hoe een driedimensionale ruimte ontstaat uit een punt, maar niet visueel voorstelbaar.

Ons heelal dijt uit

?

Het heelal dijt uit. (uitdijen = het zich steeds verder verwijderen van elkaar)

Dit zijn we te weten gekomen door naar het licht van de sterren te kijken.

Dit zijn we te weten gekomen door naar het licht van de sterren te kijken.

 In het spectrum van een veraf gelegen ster liggen de absorptielijnen meer naar het rode gebied van het spectrum.

 de zwarte lijnen van de 2de balk zijn meer naar het rode deel verschoven = roodverschuiving. We kunnen dit verklaren a.d.h.v. het Dopplereffect.

Het Doppler-effect

?

Het effect werd genoemd naar de Oostenrijkse natuurkundige Christian Doppler, die in 1842 dit verschijnsel voor zowel licht- als geluidsgolven beschreef.

Welke straling, naast zichtbaar licht zenden sterren nog uit?

Naast zichtbaar licht zenden sterren ook andere soorten straling uit: ultraviolet en infraroodstraling, röntgenstraling en gammastraling. Al deze soorten straling noemen we elektromagnetische straling. De golflengte verschilt maar de voortplantingssnelheid is steeds 300.000km/s, de lichtsnelheid.

Het Doppler-effect noemen we de verandering van de golflengte van geluid of licht. Deze verandering wordt veroorzaakt doordat de afstand tot de bron groter of kleiner wordt.

n de sterrenkunde kennen we ook het Doppler-effect.

Hierdoor lijkt het soms net, alsof licht een klein beetje van kleur verandert.

Licht bestaat uit hele kleine golfjes. Ook hier heet de afstand tussen twee golfjes de golflengte. Bij geluid is het zo, dat bij iedere golflengte een bepaalde toon hoort. Bij licht hoort bij iedere golflengte een bepaalde kleur. De afstand tussen twee golfjes blauw licht is kleiner dan tussen twee golfjes rood licht. Blauw licht heeft dus een kortere golflengte dan rood licht.

Wordt de afstand tot een lichtbron kleiner, dan is ook de golflengte kleiner. Het licht is dan wat blauwer van kleur. Dit verschijnsel noemen we blauwverschuiving. Als de afstand tot een lichtbron groter wordt, dan is ook de golflengte groter. Het licht wordt nu wat roder van kleur. Dit noemen we roodverschuiving. Blauwverschuiving en roodverschuiving zijn een gevolg van het Doppler effect.

Licht is net als geluid een golfverschijnsel. Dat betekent dat het Dopplereffect ook bij licht kan optreden. Een grotere golflengte betekent dat de frequentie lager wordt.

Een grotere golflengte bij licht betekent ook nog iets anders, namelijk dat het licht roder wordt. Bij een kleinere golflengte wordt het blauwer.

Voor een ster die ver van ons af staat zagen we dat de zwarte lijnen uit het spectrum meer naar rood verschoven waren.

Uit het vorige voorbeeld bleek dat dit alleen mogelijk is als de ster van ons af beweegt.

CONCLUSIE: door roodverschuiving weten we dat ons heelal uitdijt.

Voorstelling van de ROODVERSCHUIVING. Wanneer wij met een telescoop kijken naar verre sterrenstelsels, en wij analyseren het licht dat deze uitzenden, meten wij een rood licht. Dit wordt geassocieerd met een bron die van ons weg beweegt, daar de golflengte is ‘uitgerokken’ (zie doppler-effect). Rood licht heeft inderdaad een grotere golflengte dan blauw licht. Dit laatste zou impliceren dat sterrenstelsels naar ons toe bewegen.

Het dopplereffect is dus niet alleen van toepassing op geluid (golf) maar ook op licht (elektromagnetische golf).

De roodverschuiving biedt dus meetbaar bewijs van een uitdijend heelal: de ruimte tussen de sterrenstelsels neemt toe met de tijd.

Het verband tussen de snelheid en de afstand van sterrenstelsels werd ontdekt door Edwin Hubble, daarom wordt het nu de wet van Hubble genoemd.  Edwin Hubble ontdekte dat wanneer men kijkt naar sterrenstelsels die veraf gelegen zijn, men een rode kleur observeert. Deze observatie legde de basis voor de ‘roodverschuiving’.

Wet van Hubble

Hoe verder het sterrenstelsel bij ons vandaan staat, hoe sneller het van ons af beweegt.

v=snelheid waarmee een sterrenstelsel van ons af beweegt (km/s)

H=constante van Hubble

d=afstand (in lichtjaar)

Welke temperatuur heeft ons heelal?

De gemiddelde temperatuur van het heelal is ongeveer 2°K (= -273,16°C)

kosmische achtergrondstraling

De kosmische achtergrondstraling, niet te verwarren met kosmische straling, is de warmtestraling die kort na de oerknal is uitgezonden. Het vroege heelal was volgens de gangbare kosmologische theorie extreem heet, maar koelde daarna, terwijl het uitdijde, wel af en was na zo'n 380.000 jaar tot zo'n 3000 kelvin afgekoeld. Er konden toen atomen gevormd worden. Elektronen werden gebonden aan protonen en neutronen. Doordat er ruimte genoeg was, dat fotonen niet meer door interacties met elektronen werden gehinderd, werd het heelal doorzichtig. Deze interactie is de basis voor elektromagnetisme.

Dit licht van het vroege heelal wordt tegenwoordig waargenomen als de kosmische achtergrondstraling. Doordat het heelal sinds die tijd ongeveer 1000 keer groter is geworden, is de temperatuur van de achtergrondstraling gedaald tot 3 kelvin.

De kosmische achtergrondstraling, niet te verwarren met kosmische straling, is de warmtestraling die kort na de oerknal is uitgezonden. Het vroege heelal was volgens de gangbare kosmologische theorie extreem heet, maar koelde daarna, terwijl het uitdijde, wel af en was na zo'n 380.000 jaar tot zo'n 3000 kelvin afgekoeld. Er konden toen atomen gevormd worden. Elektronen werden gebonden aan protonen en neutronen. Doordat er ruimte genoeg was, dat fotonen niet meer door interacties met elektronen werden gehinderd, werd het heelal doorzichtig. Deze interactie is de basis voor elektromagnetisme.

Dit licht van het vroege heelal wordt tegenwoordig waargenomen als de kosmische achtergrondstraling.

First light: 300.000 jaar na geboorte heelal. Dit is een ‘babyfoto’ van het heelal: we kunnen dit observeren als ‘kosmische achtergrondstraling’. Merk op dat het heelal toen nog warmere en koudere gebieden bevatte aleer er ook maar sprake was van een eerste sterrenstelsel. Als we vandaag de temperatuur in het heelal meten komen we op een 2,7 K (dat is zeer dicht bij het absolute nulpunt van 0 K). M.a.w. het heelal koelde af tot een resttemperatuur; een restant van de big bang.

Het heelal dijt dus niet alleen uit maar koelt ook af.

COBE of COsmic Background Explorer (ook Explorer 66 genoemd) is een ruimtetelescoop van de NASA, die van 1989 tot 1993 waarnemingen deed van de kosmische achtergrondstraling. De satelliet bevindt zich nog steeds in een polaire baan om de aarde.

Conclusie?

Het heelal was vroeger warmer en kleiner. Het heelal moet ooit ontstaan zijn uit één punt, een singulariteit.

Dit punt had een oneindige temperatuur, druk en dichtheid en is op een bepaald moment beginnen uitzetten: de oerknal of Big Bang

• Big crunch: Fz krijgt overhand bij voldoende materie => stoppen met uitdijen => sterren en planeten botsen => alle materie weer in 1 punt = cyclisch heelal
• Vlakke of statische heelal: langzamer uitdijen tot een constante
• Open heelal = meest waarschijnlijke => niet genoeg materie om Fz en uitdijing te stoppen

1. Big Chill of Big Freeze: lineaire expansie, expansie gaat verder aan zelfde tempo
2. Big Rip: uitdijing versnelt en heelal valt uiteen

Voorbereiding: bekijk de filmpjes op Youtube en maak een schematische voorstelling van het ontstaan van ons zonnestelsel.

Het herzsprung-Russel diagram.

In het algemeen gelden volgende verbanden: De oppervlakte temperatuur van een ster is gelinkt aan zijn kleur (rood = koud, blauw = warm). De intrinsieke helderheid (dit is de helderheid van een ster op zich, wanneer men het verschil in afstand laat vallen) van een ster zegt dan weer iets over de grootte (niet fel = dwerg, heel fel = reus). 90% van alle sterren volgt de hoofdreeks, waar er een verband is tussen temperatuur en de intrinsieke helderheid: hoe helderder, hoe warmer. Onze zon zit ongeveer perfect in het midden van de reeks.

Er zijn echter uitzonderingen: rode reuzen zijn heel helder maar koud. Witte dwergen zijn niet fel maar wel heel warm.