DE EERSTE STERRENDE EERSTE STERREN

Wat weten we van de eerste sterrenWat weten we van de eerste sterren die in het heelal ontstonden; die in het heelal ontstonden; wat waren dat voor objecten wat waren dat voor objecten en wat was hun levensloop ?en wat was hun levensloop ?

C. de JagerC. de Jager

Vraag vooraf:Vraag vooraf:

Hoe ontstaan sterren?Hoe ontstaan sterren?

Antwoord: in spiraalarmen Antwoord: in spiraalarmen van van melkwegstelsels melkwegstelsels (galaxies)(galaxies)

Een melkwegstelselEen melkwegstelsel

• Omvat een massa van ongeveer 0,1 Omvat een massa van ongeveer 0,1 miljard tot ruim biljoen maal de zonmiljard tot ruim biljoen maal de zon

• Afmetingen tienduizenden tot Afmetingen tienduizenden tot honderd- duizenden lichtjaren honderd- duizenden lichtjaren

• Bevatten vaak spiraalarmenBevatten vaak spiraalarmen

• De armen bevatten (jonge) sterren De armen bevatten (jonge) sterren en veel gas en veel gas

Het mechanismeHet mechanisme

• Die armen bevatten veel gas; gasmassa’s die al dicht Die armen bevatten veel gas; gasmassa’s die al dicht genoeg zijn klonteren verder samengenoeg zijn klonteren verder samen

• Dit laatste gebeurt door onderlinge aantrekking van Dit laatste gebeurt door onderlinge aantrekking van het gas: het gas: gravitatiecontractiegravitatiecontractie

• Dit samentrekken wordt tegengegaan als het gas, al Dit samentrekken wordt tegengegaan als het gas, al krimpend, heter wordt waardoor de druk toeneemtkrimpend, heter wordt waardoor de druk toeneemt

• Ook rotatie verhindert te extreem samenklonterenOok rotatie verhindert te extreem samenklonteren• Tegenkrachten kunnen zo leiden tot Tegenkrachten kunnen zo leiden tot fragmentatiefragmentatie• Dus: een subtiel spel van krachten en tegenkrachten, Dus: een subtiel spel van krachten en tegenkrachten,

waaruit ten slotte sterren kunnen ontstaanwaaruit ten slotte sterren kunnen ontstaan

Geen zwaardere sterren dan ca. Geen zwaardere sterren dan ca. 60 tot 80 maal de massa van de 60 tot 80 maal de massa van de zonzon

• Twee oorzaken waardoor buitenlagen van Twee oorzaken waardoor buitenlagen van een nog zwaarder ster worden weggeblazeneen nog zwaarder ster worden weggeblazen

• 1. stralingsdruk van een hete ster drukt gas 1. stralingsdruk van een hete ster drukt gas weg, de ruimte in weg, de ruimte in

• 2. Bij koele sterren is het veld van 2. Bij koele sterren is het veld van schokgolven, door turbulente bewegingen schokgolven, door turbulente bewegingen opgewekt, een andere kracht die gas doet opgewekt, een andere kracht die gas doet ontsnappenontsnappen

• Dat bepaalt de grootste massa die een ster Dat bepaalt de grootste massa die een ster kan hebben kan hebben

Massale stervorming (geboortegolf) bij Massale stervorming (geboortegolf) bij botsing van botsing van twee galaxies (Het Antenne twee galaxies (Het Antenne stelsel)stelsel)

HET BEGIN VAN HET HET BEGIN VAN HET HEELAL HEELAL

De De oerknal oerknal duidt op explosief duidt op explosief begin van het heelal; de begin van het heelal; de

waargenomen waargenomen expansiewetexpansiewet

Schets van de Schets van de wet van Hubblewet van Hubble: een object op 25 : een object op 25 miljoen lichtjaren afstand loopt weg met 1000 km miljoen lichtjaren afstand loopt weg met 1000 km per seconde; op 250 miljoen lichtjaren is die per seconde; op 250 miljoen lichtjaren is die snelheid 10 000 km/s, enz. snelheid 10 000 km/s, enz.

Wet van Hubble: explosieWet van Hubble: explosie

• De expansiewet toont wat er gebeurt als De expansiewet toont wat er gebeurt als iets explodeert.iets explodeert.

• Wij zijn deel van het heelal: wij exploderen Wij zijn deel van het heelal: wij exploderen meemee

• De snelste en de traagste objecten lopen De snelste en de traagste objecten lopen het snelst van ons weghet snelst van ons weg

• Dit staat toe de ouderdom van het heelal te Dit staat toe de ouderdom van het heelal te bepalen: 13,7 miljard jarenbepalen: 13,7 miljard jaren

• Zo lang geleden vond de Zo lang geleden vond de oerknaloerknal plaats plaats

Aanvankelijk Aanvankelijk ondoorzichtigondoorzichtig• Het gas dat na de oerknal ontstond Het gas dat na de oerknal ontstond

was aanvankelijk heel was aanvankelijk heel dichtdicht en en heetheet • En En ondoorzichtigondoorzichtig tengevolge van de tengevolge van de

dichtheid en de hoge temperatuur dichtheid en de hoge temperatuur • Na ~ 350 000 jaar was de Na ~ 350 000 jaar was de

temperatuur gezakt tot beneden 10 temperatuur gezakt tot beneden 10 000 graden. 000 graden.

• Vanaf toen was het heelal doorzichtigVanaf toen was het heelal doorzichtig (oorzaak: recombinatie van waterstof)(oorzaak: recombinatie van waterstof)

Ver kijken = terugkijken; het verste Ver kijken = terugkijken; het verste oppervlak dat we zien is dat van 350 000 oppervlak dat we zien is dat van 350 000

jaar na de oerknaljaar na de oerknal

Een vraag: Bestonden toen Een vraag: Bestonden toen melkwegstelsels, of is daar iets te zien melkwegstelsels, of is daar iets te zien van de vorming van melkwegstelsels?van de vorming van melkwegstelsels?

• Het antwoord: zoek naar het begin Het antwoord: zoek naar het begin van klonteringvan klontering

• Met andere woorden: zien we Met andere woorden: zien we helderheids fluctuaties in de helderheids fluctuaties in de achtergrondstraling? achtergrondstraling?

• Of: zien we temperatuur fluctuaties? Of: zien we temperatuur fluctuaties?

Hemelkaart: temperatuurfluctuaties Hemelkaart: temperatuurfluctuaties boven 0,001 graad aangeduid door boven 0,001 graad aangeduid door

kleurverschillen kleurverschillen

Nu kijken we fijner: er zijn Nu kijken we fijner: er zijn heel heel kleinekleine fluctuaties! De grootste zijn fluctuaties! De grootste zijn 0,0002 0,0002 °°KK

Vorming van Vorming van protogalaxiesprotogalaxies• Die kleine temperatuurverschillen duiden Die kleine temperatuurverschillen duiden

op kleine afwijkingen van homogeniteitop kleine afwijkingen van homogeniteit• Deze dichtheidfluctuaties zijn klein maar Deze dichtheidfluctuaties zijn klein maar

blijken blijken juist voldoendejuist voldoende om tot de eerste om tot de eerste samenklonteringen te leidensamenklonteringen te leiden

• Dit worden de Dit worden de protogalaxiesprotogalaxies: voorlopers : voorlopers van de latere melkwegstelsels van de latere melkwegstelsels

• Hoe zwaar zijn die protogalaxies? Hoe zwaar zijn die protogalaxies?

Belangrijke grootheid: de Jeans Belangrijke grootheid: de Jeans massamassa

• Gas heeft een temperatuur en Gas heeft een temperatuur en dichtheiddichtheid

• Vraag: Hoeveel van dit gas moet ik Vraag: Hoeveel van dit gas moet ik bijeen hebben opdat de aantrekking bijeen hebben opdat de aantrekking voldoende groot is om het verder te voldoende groot is om het verder te doen samenklonteren? (tegen de doen samenklonteren? (tegen de uitwaarts gerichte gasdruk in)uitwaarts gerichte gasdruk in)

• Dit leidt tot het begrip: Dit leidt tot het begrip: Jeans massaJeans massa

Jeans massaJeans massa

De hoeveelheid gas die – bij De hoeveelheid gas die – bij gegeven temperatuur en druk – gegeven temperatuur en druk – minstensminstens bijeen moet zijn om te bijeen moet zijn om te

kunnen samenklonterenkunnen samenklonteren

De De Jeans dichtheidJeans dichtheid is bij gegeven is bij gegeven temperatuur de minimale dichtheid die temperatuur de minimale dichtheid die nodig is om te kunnen samentrekken; de nodig is om te kunnen samentrekken; de corresponderende minimale massa is de corresponderende minimale massa is de Jeans massaJeans massa(bedenk: de lucht in deze kamer : ~ 0,001 g/cm(bedenk: de lucht in deze kamer : ~ 0,001 g/cm33))

Enkele voorbeelden in het Enkele voorbeelden in het uitdijende heelaluitdijende heelal

• Toen het heelal 50 maal jonger was Toen het heelal 50 maal jonger was dan nu (leeftijd 270 miljoen jaar) was dan nu (leeftijd 270 miljoen jaar) was de Jeans massa 20 000 zonsmassa’sde Jeans massa 20 000 zonsmassa’s

• 30 maal jonger (460 miljoen jaar): 10 30 maal jonger (460 miljoen jaar): 10 000 zonsmassa’s000 zonsmassa’s

• 10 maal jonger (1,37 Miljard jaar): 10 maal jonger (1,37 Miljard jaar): 3000 zonsmassa’s 3000 zonsmassa’s

De kernvraag: De kernvraag:

KanKan het gas wel samentrekken? het gas wel samentrekken? Om te Om te kunnenkunnen samentrekken moet samentrekken moet

het gas ongestoord naar binnen het gas ongestoord naar binnen kunnen vallenkunnen vallen

Vergelijk tijdschalenVergelijk tijdschalen

• De De vrije-val tijdvrije-val tijd is de tijd gedurende welke gas is de tijd gedurende welke gas zonder botsingen valt; de vrije-val afstandzonder botsingen valt; de vrije-val afstand

• Als het ten slotte botst ontstaat een drukgolf, Als het ten slotte botst ontstaat een drukgolf, die naar buiten looptdie naar buiten loopt

• De De drukgolf tijd : drukgolf tijd : de tijd die een drukgolf nodig de tijd die een drukgolf nodig heeft om de vrije-val afstand af te leggen.heeft om de vrije-val afstand af te leggen.

• Samenklonteren wanneer drukgolf tijd langer Samenklonteren wanneer drukgolf tijd langer is dan de vrije-val tijd. is dan de vrije-val tijd.

De vorming van De vorming van protogalaxiesprotogalaxies

• StreepjeslijnStreepjeslijn: Jeans massa in : Jeans massa in de tijdde tijd

• De twee De twee andere lijnenandere lijnen: twee : twee berekeningen voor waar de berekeningen voor waar de vrije-val tijd en drukgolf tijd vrije-val tijd en drukgolf tijd gelijk zijngelijk zijn

• ConclusieConclusie: tussen 300 en 500 : tussen 300 en 500 miljoen jaar na de oerknal miljoen jaar na de oerknal ontstaan de eerste ontstaan de eerste protogalaxiesprotogalaxies

• Massa: ca. 10 000 zonsmassa’sMassa: ca. 10 000 zonsmassa’s

Kleine massa van Kleine massa van protogalaxiesprotogalaxies• Kleine massa omdat het gas slecht af kon Kleine massa omdat het gas slecht af kon

koelen; het bestond slechts uit waterstof koelen; het bestond slechts uit waterstof en helium; die gassen stralen slechten helium; die gassen stralen slecht

• Maar langzaam vormen zich HMaar langzaam vormen zich H22 moleculen moleculen• De fractie is 0,001 tot 0,000 1; dat is al De fractie is 0,001 tot 0,000 1; dat is al

voldoende om afkoeling te bewerkstelligen voldoende om afkoeling te bewerkstelligen • Bij afkoeling kan protogalaxie verder Bij afkoeling kan protogalaxie verder

groeien; eindwaarde, ca. 600 miljoen jaar groeien; eindwaarde, ca. 600 miljoen jaar na de oerknal, is 1 tot 10 miljoen na de oerknal, is 1 tot 10 miljoen zonsmassa’szonsmassa’s

Kleine massa ! Kleine massa ! • Ons eigen melkwegstelsel heeft een Ons eigen melkwegstelsel heeft een

massa van 100 tot 1000 miljard maal massa van 100 tot 1000 miljard maal de zonsmassade zonsmassa

• Gebruikelijke massa’s liggen tussen Gebruikelijke massa’s liggen tussen 0,1 miljard tot 1000 miljard 0,1 miljard tot 1000 miljard zonsmassa’s; dat is nog erg klein voor zonsmassa’s; dat is nog erg klein voor een melkwegstelsel een melkwegstelsel

• Vandaar de naam: Vandaar de naam: protoprotogalaxies galaxies • KUNNEN WE DEZE OBJECTEN ZIEN ?KUNNEN WE DEZE OBJECTEN ZIEN ?

Hubble telescoop: oudste Hubble telescoop: oudste stelsels gezien op 12 - 13 stelsels gezien op 12 - 13 miljard lichtjarenmiljard lichtjaren

Subaru telescoop ziet ver Subaru telescoop ziet ver objectobject(IOK-1) op afstand van 12,9 Glj (IOK-1) op afstand van 12,9 Glj

Een kosmische lens: de groep Abell 1835Een kosmische lens: de groep Abell 1835 De ‘streepjes’: ‘afbeelding’ van achter liggend De ‘streepjes’: ‘afbeelding’ van achter liggend stelselstelsel

Eén ervan nader bezien: een stelsel op 13,2 Eén ervan nader bezien: een stelsel op 13,2 (?) miljard lichtjaar; is dat protogalaxie? (?) miljard lichtjaar; is dat protogalaxie?

(Hubble + Spitzer)(Hubble + Spitzer)

Vorming van zwaardere Vorming van zwaardere stelselsstelsels

• Direct na het ontstaan van Direct na het ontstaan van protogalaxies onderlinge botsingen, protogalaxies onderlinge botsingen, gevolgd door samensmelten gevolgd door samensmelten

• Dit gebeurt – in veel mindere mate – Dit gebeurt – in veel mindere mate – nog steeds (zie het Antennestelsel)nog steeds (zie het Antennestelsel)

• Zal vroeger veel frequenter plaats Zal vroeger veel frequenter plaats gevonden hebbengevonden hebben

Over ca. 3 miljard jaar zal ons Over ca. 3 miljard jaar zal ons eigen melkwegstelsel eigen melkwegstelsel samensmelten met dat in samensmelten met dat in AndromedaAndromeda

In de eerste galaxies: In de eerste galaxies: stervorming door fragmentatiestervorming door fragmentatie• Vele oorzaken kunnen leiden tot fragmentatie:Vele oorzaken kunnen leiden tot fragmentatie:

• Kleine temperatuurfluctuaties kunnen Kleine temperatuurfluctuaties kunnen leiden tot snelle plaatselijke afkoeling en leiden tot snelle plaatselijke afkoeling en condensatie, waarna verhitting condensatie, waarna verhitting

• Ook turbulente bewegingen kunnen dit teweegbrengen Ook turbulente bewegingen kunnen dit teweegbrengen

Slechts geringe Slechts geringe fragmentatiefragmentatie• Vele berekeningen gemaakt; ze tonen:Vele berekeningen gemaakt; ze tonen:• Fragmentatie komt in protogalaxies Fragmentatie komt in protogalaxies

niet op grote schaal voorniet op grote schaal voor• Er vormen zich enkele Er vormen zich enkele zwarezware

fragmenten: enkele honderden fragmenten: enkele honderden zonsmassa’szonsmassa’s

• Deze groeien verder tot ca. duizend Deze groeien verder tot ca. duizend zonsmassa’s door ‘accretie’: gas uit de zonsmassa’s door ‘accretie’: gas uit de omgeving valt op het fragmentomgeving valt op het fragment

De eerste sterren waren De eerste sterren waren gigantengiganten

• Zo ontstaan de eerste sterren: honderden Zo ontstaan de eerste sterren: honderden tot duizend malen zo zwaar als de zontot duizend malen zo zwaar als de zon

• Lichtsterkte: miljoen tot miljard maal de zonLichtsterkte: miljoen tot miljard maal de zon• Zo zware sterren konden toen bestaan Zo zware sterren konden toen bestaan

omdat ze uit zuiver waterstof en helium omdat ze uit zuiver waterstof en helium bestonden: geen turbulente convectie en bestonden: geen turbulente convectie en zwakke stralingsdrukzwakke stralingsdruk

• Nu worden ze niet meer zo zwaar omdat hun Nu worden ze niet meer zo zwaar omdat hun gas ‘verontreinigd’ is met zwaardere gas ‘verontreinigd’ is met zwaardere elementen; die hebben grotere stralingsdruk elementen; die hebben grotere stralingsdruk

Verdere levensloop:Verdere levensloop:

• Zo’n zware ster, slechts bestaand uit Zo’n zware ster, slechts bestaand uit waterstof en heliumgas zal kort levenwaterstof en heliumgas zal kort leven

• Voorbeeld: ster van 100 zonsmassa’s Voorbeeld: ster van 100 zonsmassa’s leeft niet langer dan 1 – 3 miljoen jaar; leeft niet langer dan 1 – 3 miljoen jaar; ster van 1000 zonsmassa’s leeft 10 000 – ster van 1000 zonsmassa’s leeft 10 000 – 30 000 jaar. 30 000 jaar.

• Stort daarna ineen; wordt Stort daarna ineen; wordt hypernovahypernova

• Sterkern wordt zwart gatSterkern wordt zwart gat

Wat daarna gebeurt bepaalt Wat daarna gebeurt bepaalt het karakter van ons heelalhet karakter van ons heelal

• In omhulling van de exploderende ster In omhulling van de exploderende ster worden zwaardere elementen gevormdworden zwaardere elementen gevormd

• Het uitgestoten gas verspreidt zich Het uitgestoten gas verspreidt zich • Dit gas is voeding voor nieuwe, minder Dit gas is voeding voor nieuwe, minder

zware sterrenzware sterren• Zo wordt heelal verrijkt aan zware Zo wordt heelal verrijkt aan zware

elementen elementen • Anders was hier het leven nooit Anders was hier het leven nooit

ontstaanontstaan

Super- en hypernovaeSuper- en hypernovae

Het dramatische einde van Het dramatische einde van sterrensterren

Een ‘gewone’ supernova: helder als Een ‘gewone’ supernova: helder als miljard zonnen (de grote stip in miljard zonnen (de grote stip in bovendeel) bovendeel)

GRB 980425: ineenstortende ster werd GRB 980425: ineenstortende ster werd ‘hypernova’ ‘hypernova’ (helderheid ca. 10 tot 100 miljard maal (helderheid ca. 10 tot 100 miljard maal zon)zon)

GRB030329: helder als biljoen GRB030329: helder als biljoen zonnenzonnen

Bron van de sterkste gamma-stralingsstoot Bron van de sterkste gamma-stralingsstoot ooitooit

16 september 2008; afstand 12,2 miljard lichtjaren16 september 2008; afstand 12,2 miljard lichtjaren

Recent werkRecent werk

Computerberekeningen over Computerberekeningen over beginnende sterrenbeginnende sterren

Aansluitende waarnemingenAansluitende waarnemingen

Computer berekeningen tonen het heelal na 590 Computer berekeningen tonen het heelal na 590 miljoen jaar. Witte puntjes zijn de melkwegstelselsmiljoen jaar. Witte puntjes zijn de melkwegstelsels

En na een miljard jaar. Rood en geel zijn de eerste En na een miljard jaar. Rood en geel zijn de eerste sterren (geel helderder dan rood)sterren (geel helderder dan rood)

En na 1,9 miljard jaarEn na 1,9 miljard jaar

De Spitzer telescoop toont De Spitzer telescoop toont waarnemingen van eerste waarnemingen van eerste sterrensterren

Wat dit plaatje toont:Wat dit plaatje toont:

• Spitzer telescoop kijkt in infrarood lichtSpitzer telescoop kijkt in infrarood licht• Ziet daardoor objecten in licht dat naar Ziet daardoor objecten in licht dat naar

het verre infrarood verschoven is; het verre infrarood verschoven is; gevolg van grote verwijderingsnelheid gevolg van grote verwijderingsnelheid

• Neemt vrij scherp waarNeemt vrij scherp waar• Grijs: weggewerkte ‘voorgrond’ sterrenGrijs: weggewerkte ‘voorgrond’ sterren• Lichte gloed: de eerste sterren. Blijken Lichte gloed: de eerste sterren. Blijken

tot 1000 maal zo zwaar als de zon tot 1000 maal zo zwaar als de zon

Links: het Spitzer plaatje; rechts: de voorgrond Links: het Spitzer plaatje; rechts: de voorgrond sterrensterren

Samengevat: het Samengevat: het tijdsverlooptijdsverloop• 0,35 miljoen jaar: heelal wordt doorzichtig0,35 miljoen jaar: heelal wordt doorzichtig• 400 miljoen jaar: eerste protogalaxies400 miljoen jaar: eerste protogalaxies• 500 miljoen jaar: eerste sterren, honderden tot 500 miljoen jaar: eerste sterren, honderden tot

duizend malen zo zwaar als de zonduizend malen zo zwaar als de zon• 600 miljoen jaar: eerste wat grotere melkwegstelsels600 miljoen jaar: eerste wat grotere melkwegstelsels• Vanaf 1 à 2 miljard jaar: eerste ‘gewone’ sterrenVanaf 1 à 2 miljard jaar: eerste ‘gewone’ sterren

Deze presentatie is na te Deze presentatie is na te lezenlezen

Zie Zie www.cdejager.comwww.cdejager.com

Ga naar: presentatiesGa naar: presentaties