Post on 29-Jun-2015
description
Welkom
Florine Meijer (JCU) Henny Lamers (SIU)
Woudschotenconferentie natuurkunde
12 december 2009
Vanmiddag
Even voorstellen
De module
Inleiding sterevolutie
Ervaringen en mogelijkheden
Tenslotte
Even voorstellen
Florine MeijerJunior College Utrecht (JCU)
• Universiteit Utrecht en 26 partnerscholen• Bètaonderwijs 5/6 vwo: NLT, differentiatie,
onderzoek
Henny LamersSterrenkundig Instituut Utrecht
De module: onderwerpen
Met dank aan wordle.net
De module: kern en keuze
Kern-hoofdstukken
1 Meten aan sterren2 Structuur van sterren3 Levensloop van sterren
Gebruik:
- In de klas
- Achtergrond bij praktische opdracht
- Voorkennis in bijlage
Keuze-hoofdstukken
A Scheikunde tussen de sterrenB Compacte sterrenC Supernova’sD Zwarte gaten
Mogelijkheden
VWO 6 of eind 5
Binnen de lessen natuurkunde (sk)– na Elektromagnetische straling en
materie (Nina)– na Project Moderne Natuurkunde
In NLT, Domein D– na Kernfusie– i.p.v./na Meten aan Melkwegstelsels
(overlap: zwarte gaten)
Mogelijkheden: differentiatie
Voorkennisbijlagevan tevoren of tijdens kernhoofdstukken
Kernhoofdstukken meer/minder diepgrote lijn of details meer/minder opgaven
KeuzehoofdstukCompacte sterren is lastigste
Keuzeonderwerpleerlingen kiezen zelf onderwerp en diepgang
Mogelijkheden: afsluitingen
• Schriftelijke toets
• Praktische opdracht
• Excursie– sterrenwacht– Planetarium Artis
Ervaringen van docenten
“Met de keuze-onderwerpen zijn de meeste leerlingen enthousiast aan het werk gegaan.
Dat leidde tot websites, verslagen, en een brochure met de titel neutrino’s voor dummies.”
Ervaringen van leerlingen
“Ik vond de sessies over supernova's en zwarte gaten het leukst, omdat die over concrete voorbeelden gingen.
Bovendien zijn het ook echt coole dingen, wat er gebeurt als een ster ontploft.”
“De module geeft een goed idee van hoe groots en indrukwekkend het heelal kan zijn.”
Als ik het zelf ga geven…
V5 of V6, natuurkunde/scheikunde of NLT?
NLT: leerlingen zonder natuurkunde?
collega erbij?
keuzehoofdstuk?
afsluiting?
Beschikbaarheid
Leerlingmateriaal – www.betavak-nlt.nl– www.uu.nl/jcu
Docentenmateriaal– op aanvraag bij JCU@uu.nl
Nascholing– www.best-utrecht.nl
www.uu.nl/jcu
Leerlingmateriaal downloaden
Inleiding sterevolutie
Door Henny Lamers
De levensloop van De levensloop van sterrensterren
Henny J.G.L.M. Lamers
Sterrenkundig InstituutUniversiteit UtrechtTel: 030-2535222
email: H.J.G.L.M.Lamers@uu.nl
1. De vorming van sterren
Een klein stukje sterrenhemel
De Pleiaden sterrenhoophonderden sterren
Sterrenhoop M13 honderdduizenden sterren op een kluit
Een hete gas wolk (T~ 104 K) waterstof
70%
helium
28%
(rest)
2% vooral
koolstof,
stikstof
zuurstof
Een koude stofwolk (T~100 K)uiterst kleine roet en zand korreltjes (~0.1 micron)
Het ontstaan van een sterrenhoopuit een grote gasnevel
1. kontraktie van een gaswolk door eigen zwaartekracht
2. kontraherende gaswolk gaat klonteren
3. klonters trekken samen tot sterren
4. sterrenhoop !
De Adelaar nevel : stervormings nevel
Afstand: 7000 lj
Diameter: totaal : 50 lj binnendeel: 15 lj
Totale massa: >12000 Mzon
Eerste sterren in een stervormings nevel gaan gas in
hun directe omgeving verhitten
en ionizeren → expanderende hete
gasbel
Bellen blazen
in een stervormende wolk
Gas-stof kolommen in Adelaar nevel materiaal voor honderden sterren
Hubble
Ruimte
Telescoop
“Pillars of creation”
Grootste Grootste kolom = kolom = 3 x 1 lj3 x 1 lj
Verdamping van Verdamping van gas en stof door gas en stof door nabije sterrennabije sterren
Samenstelling van gaswolken en van bijna alle sterren in ons
melkwegstelsel afgeleid uit het spectrum
Waterstof (H) 70 %
Helium (He) 28 %
Zuurstof (O) 1 %
Koolstof (C) 0.4 %
Stikstof (N) 0.1 %
Rest 0.5 %
2. De levensloop van zon sterren
De zonAfstand: 150 000 000 km = 8 lichtminuten
Diameter: 1 400 000 km
Oppervlakte: 5700 graden
Leeftijd: 4,6 miljard jaar!
Straling: 4 1026 Watt
Alle auto’s op aarde (7 10Alle auto’s op aarde (7 1088), 100 km/dag, 4miljoen jaar !), 100 km/dag, 4miljoen jaar !
= energieverbruik Zon in 1 sec != energieverbruik Zon in 1 sec !
Het principe van H→He fusie
4 protonen + 2 electronen → He-kern + 2 neutrinos + energie
De fusie reacties van H → He in sterren
proton-proton keten CNO cyclus
Netto: 4H + 2e → He-kern Netto: 4H + 2e → He-kern
In lichte sterren T<18 MK In zware sterren T > 18 MK
Energie produktie door H fusie4 1H → 4He + 2e+ + 2γ + 2ν
2 e+ + 2 e- → 2γ
• 4 protonen : 4x1.00727 = 4.0291 a.m.u• 2 electronen: 2x0.00055 = 0.0011 a.m.u• -----------• in 4.0302 a.m.u• He kern uit 4.0015 a.m.u• ----------• omgezet in energie 0.0287 a.m.u.= 0.7 %
E = m c2
Opgave: bereken de maximale levensduur van de zon door H-fusie
Levensduur = Energie voorraad/Energie verbruik
• Massa van de zon = 2.0 1030 kg• 70% is waterstof • 12% van de massa zit in de kern (fusie)
• Energie verbruik van zon = 3.8 1026 J/s
• Maximale levensduur van zon = Energie voorraad /Verbruik
= ????? jr !!
Opgave: schat de maximale levensduur van sterren
Maximale levensduur = energie voorraad/verbruik
tmax = 9 miljard x (M/Mzon)/(L/Lzon) jr met L ~M3.8
Massa Helderheid Levensduur (jr)(in Mzon) (in Lzon) geschat
1 1 3 70 5 45020 40 000 60 500 000
0.8 0.5
De evolutie van de zon (en sterren)
Zon nu: H Zon nu: H →→He fusie in het centrumHe fusie in het centrum
Strijd tussenStrijd tussen
1. zwaartekracht
→ → krimpenkrimpen
2. gasdruk (en stralingsdruk)
→→ uitzettenuitzetten
Zolang er fusie is kan de Zolang er fusie is kan de ster in evenwicht blijvenster in evenwicht blijven
Belangrijkste fusie reakties in sterren
grondstof produkt T reactie
Waterstof → Helium 107 4 H→ He4
Helium → Koolstof 108 3 He4→ C12
Koolstof +He → Zuurstof 2 108 C12 + He4 → O16
Zuurstof → Silicium 109 2 O16 → Si28 + He4
Silicium → IJzer 2 109 2 Si28 → Fe 56
Na eind van elke fusie fase wint zwaartekracht : → ster wordt ineengedrukt → temperatuur en druk in centrum stijgen → totdat de volgende fusie fase start.
De zon over 3.5 miljard jaar :einde H-fusie in centrum
een rode reus
Aarde verschroeit : einde van leven op aardeAarde verschroeit : einde van leven op aarde
300 miljoen jaar later : rode superreus
Straal van zon is dan 200 a 300 maal huidige straalStraal van zon is dan 200 a 300 maal huidige straal
Misschien wordt de aarde dan opgeslokt door de zon !Misschien wordt de aarde dan opgeslokt door de zon !
Rode superreus : R ~ 300 Rzon ster met kern van helium en koolstof
Officiele naam : ster op asymptotische reuzen tak (AGB)Officiele naam : ster op asymptotische reuzen tak (AGB)
C-pit met He-schil eromheen detail tekening van centrum
Rode superreuzen “pulseren”
Uitzetten en inkrimpen op tijdschaal van maanden tot jarenUitzetten en inkrimpen op tijdschaal van maanden tot jaren
Hierbij worden steeds buitenlagen afgestoten (v ~ 20 km/s)Hierbij worden steeds buitenlagen afgestoten (v ~ 20 km/s)
Totdat, na ca 100 000 jaar alleen de “pit” van de ster overblijft !Totdat, na ca 100 000 jaar alleen de “pit” van de ster overblijft !
helderheidhelderheid
3. Het einde van sterren
Planetaire nevels :
de “laatste ademstoot” van lichte sterren (M<6 Mzon) de “laatste ademstoot” van lichte sterren (M<6 Mzon)
Diameter : 1 lichtjaar 1 lichtjaar
Snelheid: 20 a 50 km/s20 a 50 km/s
Samenstelling: voornamelijk H-gas voornamelijk H-gas verrijkt met verrijkt met He en CHe en C
Ster in centrum: Witte dwerg Witte dwerg = “pit” van de ster= “pit” van de ster
kattenoog nevel uitgestoten gaslagen rondom een witte dwerg
foto in UV licht foto in nabij infrarood lichtfoto in UV licht foto in nabij infrarood licht
Levens cyclus van sterren
Het einde van een zware ster M>8 Mzon
Alle fusie-fasen zijn doorlopen, tot vorming van Fe in centrum
SupernovaImplosie van de kern en explosie van de buitenlagen
(a) De ster heeft een Fe kern: geen energiewinst door fusie meer mogelijk.(a) De ster heeft een Fe kern: geen energiewinst door fusie meer mogelijk.(b) In het centrum is er door kernfusie een ijzeren kern ontstaan, die instort. (b) In het centrum is er door kernfusie een ijzeren kern ontstaan, die instort. (c) Het binnendeel wordt samengedrukt zodat er neutronen gevormd worden (c) Het binnendeel wordt samengedrukt zodat er neutronen gevormd worden (d)(d) Het invallende gas botst op de “harde” neutronen ster (M~ 2 MHet invallende gas botst op de “harde” neutronen ster (M~ 2 Mzonzon))
(e)(e) Er ontstaat een schokgolf Er ontstaat een schokgolf (f)(f) Dit schokfront is zo sterk dat de buitenlagen worden weggeblazen Dit schokfront is zo sterk dat de buitenlagen worden weggeblazen = supernova –explosie met snelheid van 15 000 km/s= supernova –explosie met snelheid van 15 000 km/s
Uiteindelijk blijft er slechts een neutronster over, of een zwart gat. Uiteindelijk blijft er slechts een neutronster over, of een zwart gat.
23 febr 1987: Supernova 1987Aeen ontploffende zware ster
25 febr 1987
Ster werd binnen twee dagen 200 miljoen maal zo helder als zon !
Hij bleef maanden zo helder en begon toen zwakker te worden.
Ster is nu niet meer zichtbaar, uitgestoten nevel wel.
“Krab-nevel” restant van ster die in 1054 ontplofte
Het signaal van de Krab-pulsar:
een piepje elke 0.0336702 seconde
Pulsar = zeer snel roterende neutronen ster met strek magneet veld
De Sluier nevel restant van supernova explosie van 7000 jaar geleden
Expansie Expansie snelheid snelheid 2000 km/s2000 km/s
Wij zijn gemaakt van sterrenstof !
Wilt U deze powerpoint presentatie ontvangen, email naar
lamers@astro.uu.nl
Een uitstekend boek over sterrenkunde op ongeveer dit niveau:
In quest of the Universe (CD met video’s en foto’s)
T.Koupelis & K. Kuhn, uitgever: Jones & Bartlett Publ.
ISBN 13-978-0-7637-4387-1 of ISBN 10-0-7637-4387-0
Foto’s van Hubble Space Telescope te vinden op
http://heritage.stsci.edu
Sterrenkunde les door een astronoom?
lamers@astro.uu.nl of wijburg@astro.uu.nl
Dank
De schrijvers van de module
De leerlingen van het JCU
De docenten en leerlingen die de module hebben uitgeprobeerd
U voor uw belangstelling