Inleiding Astrofysica College 5

17 oktober 2014 13.45 – 15.30

Ignas Snellen

Ons zonnestelsel Planetoiden, kometen en dwergplaneten Pluto en de Kuipergordel

NASA’s New Horizon Mission naar Pluto

Ons zonnestelsel Planetoiden, kometen en dwergplaneten Kometen en de Oortwolk

ESA’s Rosetta Missie: 12 Nov 2014 ! landing op komeet Churyumov–Gerasimenko

Extrasolaire Planeten Methoden

•  Afstanden tot de dichtstbijzijnde sterren zijn >100,000x groter dan tot planeten in ons zonnestelsel

•  Stralen zelf nauwlijks licht uit ! miljoenen/miljarden keren zwakker dan moederster

•  Indirecte methoden leveren eerste bewijzen voor exoplaneten (1992-1995)

Extrasolaire Planeten 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 ! 9 cm/s

Zon is 1.000x zwaarder ! 13 m/s

€

Vaarde =2π ×150 ×106km365 × 86400s

= 30km /s

V jup =13km /s

€

Vster

Vplan

=Mplan

Mster

Extrasolaire Planeten Methoden

Transit methode: als de orientatie van de planeetbaan precies goed is zien we de planeet voor de ster langs schuiven !een planeetovergang (Engels: transit)

€

ΔF =Rplaneet

2

Rster2

Extrasolaire Planeten Methoden

Duizenden planeetovergangen ontdekt met satellieten

French/ESA CoRoT Missie

NASA Kepler missie

Diameter = 1.7x Aarde massa = 4.8x Aarde

Kepler-11 ! 6 planeten, waarvan 5 binnen de baan van Mercurius!

Combinatie van transit methode en Doppler methode geeft grootte en massa van een planeet ! gemiddelde dichtheid (rotsachtig of gas-achtig?)

Extrasolaire Planeten Methoden

Direct Imaging: het direct waarnemen van een exoplaneet dmv heel scherpe fotos. Adaptieve optiek + coronagraaf (licht van de ster wordt zoveel mogelijk verduisterd).

Werkt vooral goed bij jonge planeetsystemen die nog warm zijn van formatie

Extrasolaire Planeten statistiek

Exoplaneet statistieken: Hoe bijzonder is ons zonnestelsel?

!  >1 op 10 sterren heeft een gasreus zoals Jupiter.

!  >1 op 3 sterren heeft een planeet zoals Neptunus

!  meeste sterren hebben rotsachtige planeten.

Exacte kopie van ons zonnestelsel is waarschijnlijk wel zeldzaam

Extrasolaire Planeten Methoden

Zoektocht naar buitenaards leven

① Gassen waargenomen zoals water, koolstofmonoxide ② Warmteverdeling op planeten ③ Wind-systemen ④  rotatie

Extrasolaire Planeten Zoektocht naar buitenaards leven

Samenstelling van Aardse atmosfeer verraadt biologische aktiviteit. Kunnen we dit in de toekomst ook op exoplaneten waarnemen?

Samenvatting – planeten/exoplaneten •  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, transit-methode, 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 en de sterren Onze zon Hoe weten we de afstand tot de zon? 1)  Oude grieken ! de zon staat heel ver weg! 2)  Venusovergangen

3)  Parallax van Mars 4)  Modern: Radarwaarnemingen aan Venus & Mars 1 AE =149.597.871 kilometer ! Straal van de zon = 695.500 km

Onze zon en de sterren Onze zon Hoe weten we de massa van de zon? !  De derde wet van Kepler +Newton geeft heel nauwkeurig GM

Maar weten we wat G is?

Cavendish 1798 ! G=6.67428 × 10−11 N-m2/kg2

Mzon = 1.9891 × 1030 kilogram (333.000x de Aarde)

Onze zon en de sterren Onze zon

Hoe weten we hoe oud de zon is?

!  Leeftijd van de Aarde en meteorieten ! 4,6 miljard jaar

!  Vergelijking van grootte, massa (en dichtheid) van de zon met stermodellen. (zie later!)

Onze zon en de sterren Onze zon De zon als ster: Christiaan Huygens’ experiment met Sirius

Serie kleine gaatjes in scherm ! wanneer is de zon even helderder als Sirius?

Met een gaatje van 1/27.664 x de diameter van de zon ! Sirius staat 27.664x verder weg! ! 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

€

25 × 0.13 ≈ 0.6pc

Onze zon en de sterren Wat is de energiebron van de zon? 19de eeuw: chemische reacties (zoals kolen+zuurstof) ! 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) ! 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

€

E = mc 2

Onze zon en de sterren Wat is de energiebron van de zon?

Waterstof (H) wordt omgezet in Helium (He) 41H ! 4He 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 × 1030 kg x 0.007x0.1 *c2 = 1.3x1044 J Lichtkracht = 3.9×1026 W Leeftijd ! 3x1017 sec = 10 miljard jaar

€

E = mc 2

Onze zon en de sterren De opbouw van de zon Binnen in de ster: de zon wordt niet groter of kleiner ! hydrostatisch evenwicht:

Gas druk

Hoe dieper in de zon Hoe hoger de temperatuur Deze is nodig voor 4H!He

De zon is een

plasma

Onze zon en de sterren De opbouw van de zon Binnen in de ster: de zon wordt niet warmer of kouder! thermisch evenwicht:

Energie productie

Energie productie = lichtkracht

Onze zon en de sterren 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 ! random walk.

Random walk: N=aantal botsingen Afgelegde weg naar buiten: x 1 cm

R=695.500 km = 7x1010 cm ! N=5x1021

C=300.000 km/sec ! reistijd = 5000 jaar (eigenlijk nog veel langer!) €

N

Onze zon en de sterren 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

Onze zon en de sterren 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)

Magnetisch veld en zonnevlekcyclus (11 jaar)

Zonnevlekken en ons klimaat

Kleine ijstijd!

Flares en protuberansen

De zonnecorona is heel heet ! 1x106 graden

Zonnestormen en Noorderlicht

Differentiele rotatie