Sirius A en B

InhoudInleiding1Gegevens:2Sirius A2Sirius B3Ontdekking van Sirius B3Binaire systemen4Naamgeving en categorisatie5De telescoop5De werking van een telescoop5Gegevens van ‘Onze’ Telescoop85Mythen over Sirius6Het oude Egypte6De Romeinen6Elektromagnetische straling7Soorten elektromagnetische straling7Soorten spectra167Golf of deeltje?8Warmte van een object8Observatie99Waarnemingen en verklaring10Samenwerking11

Inleiding

Voor het tweede project van ANW gaan wij een beschrijvend onderzoek doen naar een hemelobject. Onze keuze is gevallen op Sirius α en β, twee sterren die een dubbelsysteem vormen. Dit systeem staat op 8,7 lichtjaar vanaf de aarde. Tijdens dit project moeten wij ons inlezen over het systeem, algemene dingen over telescopen leren en twee observaties doen. We hebben binnen dit verslag twee aanduidingen gehanteerd, namelijk Sirius A of Sirius α/Sirius B of Sirius β.

Gegevens

Sirius is een onderdeel van het sterrenbeeld de Grote Hond en is een van de helderste sterren aan de hemel. Sirius is een dubbelster die bestaat uit Sirius A en Sirius B. Een dubbelster is een stelsel van twee sterren die om elkaar heen bewegen. Toen in 1610 de sterrenkijker was uitgevonden, zijn er veel sterren ontdekt die dicht bij elkaar staan en in de zelfde richting bewegen, maar er zijn ook optische dubbelsterren. Ze staan toevallig in dezelfde richting, maar dan zijn ze niet meteen een fysische dubbelster (een werkelijke dubbelster).

Sirius A

Sirius B

Type ster

Dubbelster

Witte dwerg

Sterrenbeeld

Grote Hond

-

Ontdekt in

-

1862

Ontdekt door

-

Alvan Graham Clark

Schijnbare magnitude

-1,42

8,65

Absolute magnitude

1,45

11,4

Sirius staat relatief dicht bij de aarde. Het is op de zon na de dichtstbijzijnde ster en staat op 8,7 lichtjaar van de aarde af.

Sirius A

De massa van Sirius A is ongeveer dubbel zo veel als die van de zon. De snelheid waarmee de ster om zijn eigen as draait is 16 km/s, wat relatief langzaam is. Hierdoor wordt de ster niet platter, op een schijfvormige manier, zoals bij veel andere sterren wel gebeurt. Vega is qua grootte een vergelijkbare ster met Sirius en draait met een snelheid van 274 km/s, waardoor de ster platter is.

Er wordt gesuggereerd dat Sirius is ontstaan tijdens het uiteenvallen van een moleculaire wolk en dat na tien miljoen jaar zijn interne energie is ontstaan uit nucleaire reacties. Er wordt geschat dat Sirius A binnen een miljard jaar na het ontstaan van de ster, zijn gehele opslag van waterstof in zijn kern heeft verbruikt.

1 http://www.sterrenkunde.nl/index/encyclopedie/sirius.html

2http://www.siriusrising.com/sirius.htm

3 http://www.sterrenkunde.nl/index/encyclopedie/afstandsmaat.html

Sirius B

Sirius B heeft ongeveer de grootte van de aarde, maar toch heeft de ster een massa groter dan de zon. Dat betekent dat Sirius B een enorme dichtheid moet hebben. De dichtheid is ongeveer 92000 groter dan die van de zon. Daarmee is het een van de zwaardere witte dwergen die bekend zijn. De huidige temperatuur op het oppervlak van Sirius B is 25200 K, maar omdat er geen interne bron van hitte is, zal Sirius B langzaam aan afkoelen over een periode van meer dan twee miljard jaar doordat de warmte de ruimte ingestraalt wordt.

De witte dwerg bestaat vooral uit een mix van koolstof en zuurstof dat is ontstaat door de heliumfusie in Sirius A. Hierboven zit een laag met lichtere elementen door de hoge zwaartekracht op het oppervlak. Daarom bestaat de buitenste laag van de atmosfeer uit bijna pure waterstof, omdat dat het element is met de laagste massa.

Ontdekking van Sirius B

In 1844 leidde de Duitse astronoom Friedrich Bessel van periodieke onregelmatigheden in de baan van Sirius af dat er nog een ander hemellichaam bij Sirius was. Bijna 20 jaar later was een Amerikaanse telescoop maker en astronoom, Alvan Graham, de eerste die het hemellichaam observeerde. Tegenwoordig heet hij Sirius B en ook wel de ‘Pup’ genoemd. Sirius A wordt ook wel de ‘Dog Star’, omdat hij deel uit maakt van het sterrenbeeld de Grote Hond.

Sirius B werd gevonden tijdens de test van een telescoop voor Dearborn Observatory. Dit was toen der tijd de grootste refractor telescoop die er bestond en de grootste telescoop in Amerika. Een paar maanden later werd het bevestigd door andere kleinere telescopen die Sirius B ook hadden gezien.

Sirius B bleek al snel een bijzondere ster te zijn, omdat beide sterren ongeveer het zelfde spectraal type (kleur) te hebben, namelijk A1 voor de hoofdster en A5 voor de begeleider, en toch 10 magnitudes in helderheid verschillen. Dat zou betekenen dat Sirius B erg klein is en daaruit bleek dat Sirius B de eerst ontdekte witte dwerg is. Een witte dwerg is een ster die aan het einde van haar levenscyclus is gekomen.

Binaire systemen

Binaire systemen zijn sterrenstelsels, waarin twee sterren om een gezamenlijk massamiddelpunt draaien. De zwaarste ster wordt de primaire ster genoemd en de lichtere ster de secundaire ster. Er zijn ook sterrenstelsels bekend waar drie, vier of nog meer sterren om een gezamenlijk massamiddelpunt draaien. Dit wordt een meervoudig systeem genoemd. Het Sirius-systeem bestaat uit twee sterren, namelijk Sirius α en Sirius β.

Ontdekking van Binaire systemenDe eerste persoon die de term ‘Binair systeem’ in de huidige betekenis gebruikte was de bekende astronoom Sir William Herschel (1738-1822). In 1802 schreef hij zijn "Catalogue of 500 New Nebulae, Nebulous Stars, Planetary Nebulae, and Clusters of Stars; With Remarks on the Construction of the Heavens". Hierin sprak hij voor het eerst over binaire systemen met de volgende quote:4

"If, on the contrary, two stars should really be situated very near each other, and at the same time so far insulated as not to be materially affected by the attractions of neighbouring stars, they will then compose a separate system, and remain united by the bond of their own mutual gravitation towards each other. This should be called a real double star; and any two stars that are thus mutually connected, form the binary sidereal system which we are now to consider."

Er waren voor 1802 wel sterke vermoedens dat er binaire systemen waren, maar daar was nog geen sluitend bewijs voor; zo zijn er al ‘binaire sterrenstelsels’ bekend in 1650 en 1685.5

In de schematische voorstelling hierboven is zichtbaar hoe een binair systeem er over het algemeen uitziet. Dit schema kunnen we toepassen op het Sirius AB systeem. In dat geval is de grote gele cirkel Sirius α, de kleine gele cirkel Sirius β en de rode punt het massamiddelpunt.

4 Herschel, William (1802). "Catalogue of 500 New Nebulae, Nebulous Stars, Planetary Nebulae, and Clusters of Stars; With Remarks on the Construction of the Heavens". Philosophical Transactions of the Royal Society of London 92: 477–528 [481]5 The Binary Stars, Robert Grant Aitken, New York: Dover, 1964, p. 1

Naamgeving en categorisatieBinnen binaire systemen is het gebruikelijk om de zwaarste ster (de primaire ster) de letter A of α te geven. Dit betekent dus dat Sirius α de zwaarste is van de twee sterren binnen het Sirius AB systeem. De secundaire ster krijgt dan de letter B of β. Om een systeem gemakkelijk aan te duiden wordt de volgende manier van schrijven gebruikt: naam systeem AB. Dus als we spreken over het Sirius AB systeem, wordt er gesproken over het Sirius α en Sirius β systeem.

De telescoop

De telescoop draait uiteindelijk om het vergroten van objecten in de verte. Dit zit zelfs in de naam van het apparaat zelf; in het oud Grieks betekend “tele scopos” dan ook ver-kijken.6

De werking van een telescoopAchter iedere telescoop zit dezelfde basis, namelijk dat licht gebundeld wordt en dan vergroot door een oculair.

Aan de linkerkant van de figuur komt het licht de telescoop binnen. Door de bolle lens in de telescoop gaat het licht convergeren (naar elkaar toe) en gaat door een brandpunt. Vanaf het brandpunt divergeert het licht (uit elkaar). Door een andere bolle lens wordt het licht weer een evenwijdige bundel, die vergroot wordt door het oculair.7

De Schmidt-Cassegrain telescoop, waarvan wij een variant op het dak hebben staan, werkt ook via dit basisprincipe. Het enige dat anders is, is dat er spiegels gebuikt worden om het licht te bundelen en dat dit twee keer gebeurd i.v.m. het formaat van de telescoop.

Gegevens van ‘Onze’ Telescoop8

Naam

Celestron GGE-1400

Type

Schmidt-Cassegrain

Diameter van de lens

14’’ = 35,6 cm

Database

40000 objecten, waarvan 200 uitgelicht

10 JongerenWerkGroep voor Sterrenkijken geraadpleegd op 09-01-2014 http://www.sterrenkunde.nl/index/encyclopedie/telescopen.html 11 Skywatcher(06-11-2005) geraadpleegd op 09-01-2014 http://www.wetenschapsforum.nl/index.php/topic/15404-hoe-werkt-een-telescoop/ 12 CGE Computerized Telescope http://www.celestron.com/astronomy/celestron-cge-1400-xlt-computerized-telescope.html

6 JongerenWerkGroep voor Sterrenkijken geraadpleegd op 09-01-2014 http://www.sterrenkunde.nl/index/encyclopedie/telescopen.html 7 Skywatcher(06-11-2005) geraadpleegd op 09-01-2014 http://www.wetenschapsforum.nl/index.php/topic/15404-hoe-werkt-een-telescoop/ 8 CGE Computerized Telescope http://www.celestron.com/astronomy/celestron-cge-1400-xlt-computerized-telescope.html

Mythen over Sirius

Het oude Egypte

In het oude Egypte voorspelde de Heliakische opkomst van Sirius de overstroming van de Nijl.9 Een Heliaklische opkomst is de eerste opkomst van een ster, vlak voor de Zon, na lange tijd van afwezigheid.10 De Egyptenaren baseerden hun kalender op dit fenomeen, aangezien het de overstroming van de Nijl voorspelde na de 70 dagen afwezigheid van Sirius α. De Egyptenaren geloofden dat in deze periode van het jaar Isis en Osiris door de Egyptische onderwereld reisden. Ze hadden zelfs een term voor deze periode van het jaar: Achtet11. De ster Sirius α stond in die tijd bekend als Sopdet.12

De Romeinen

In Rome werd rond 25 april van ieder jaar de Heliakische opkomst van Sirius α gevierd. Bij dit religieuze feest werd een hond (Canis) geofferd samen met wijn, wierook en een schaap om de godin Robigo te eren (De Robigalia). Zij zou dan zorgen dat de oogst niet zou beschimmelen.13

De Grieken

De Grieken hadden door observaties gemerkt dat als Sirius α verscheen de zomer heet en droog zou zijn. Ze onderbouwden deze stelling door middel van de observatie dat Sirius α meer ‘schitterde’ door de weersomstandigheden in het begin van de zomer rond de zonnewende. Ze schreven aan deze ster een hoop dingen toe: het dor worden van graan, het verzwakken van mannen en vrouwen zouden zich misdragen. Deze ‘ziekten’ werden samengevat onder de naam astroboletos (Grieks: ‘ἀστροβόλητος’), oftewel ‘Sterrensteek’. Verder offerden de inwoners van het eiland Kea allerlei objecten om Sirius en Zeus gunstig te stemmen en te zorgen voor een koele bries.14 Ook Homerus schreef in de Ilias over Sirius α als een brenger van (wan)hoop, afhankelijk van offerandes.

Moderne uitingen met betrekking tot Sirius α

Tegenwoordig zijn er geen religieuze stromingen en/of volkeren die Sirius aanbidden als een god(in). Sirius α en voornamelijk het systeem waarin deze zich bevindt, wordt vaak gebruikt door Science Fiction schrijvers, omdat de ster zich (relatief) dichtbij Aarde bevindt en het de helderste ster van de avondhemel is. Ook staat Sirius α op de vlag van Brazilië als een van de 27 sterren die staan voor de ‘provincies’.15

9 Schilling, Govert (2008). Atlas van Astronomische Ontdekkingen. ‘s-Graveland: Fontaine 10 Hugo (2007). Heliaklische Opkomst van een Ster. Geraadpleegd op 02 december 2013. http://www.hugova.be/KEMET/pg4-STERRENKUNDE/S055-heliakische-opkomst.html11 Pracht, Huub (2013). Kalenders in het Oude Egypte. Geraadpleegd op 02 December 2013. http://www.kemet.nl/kalenders-in-het-oude-egypte/ 12 Wilkinson, Richard H. (2003). The complete gods and goddesses of ancient Egypt. London: Thames & Hudson. pp. 167–168, 211. ISBN 0-500-05120-8.13 Ovidius (8). Fasti IV (regels 901-942)14 Holberg, JB Sirius:Brightest Diamond in the Night Sky , Praxis Publishing, Chichester, UK, 2007 ISBN 0-387-48941-X.15 Duarte, Paulo Araújo. "Astronomia na Bandeira Brasileira". Universidade Federal de Santa Catarina. Retrieved 2009-07-09.

Elektromagnetische straling

Alle sterren zenden een bepaalde straling uit. Deze straling is elektromagnetisch, wat betekent dat het ontstaat door wisselende elektrische en magnetische velden. Deze velden staan haaks op elkaar. Ieder object dat een temperatuur van boven het absolute nulpunt (0K) heeft, zendt elektromagnetische straling uit als gevolg van zijn temperatuur.

Soorten elektromagnetische straling

Er zijn een aantal soorten elektromagnetische straling. De belangrijkste vormen van EM-straling zijn:

Naam

Golflengte

Frequentie(Hz)

Radiogolven

1mm – vele km

< 3*1011

Infrarode straling

750nm – 1mm

4*1014> x > 3*1011

Zichtbaar licht

400nm – 750nm

7,5*1014> x > 4*1014

UV

10nm – 400nm

3,0*1016> x > 7,5*1014

Röntgenstraling

0,002nm – 10nm

1,5*1020> x > 3,0*1016

Gammastraling

< 0,002nm

>1,5*1020

Uit deze waarden valt een verband te ontdekken, namelijk: . Met c =3,0*108 in het vacuüm.16

Soorten spectra16

Er zijn drie soorten spectra die van belang zijn tijdens dit onderzoek, namelijk het continue spectrum/het emissie spectrum/het absorptie spectrum. Het continu spectrum kan je zien, met een spectroscoop, als je naar wit licht krijgt. Hieruit is dus ook te concluderen dat wit licht een mengsel is van alle kleuren.

Een emissiespectrum kan je zien als je kijkt naar een sterk verhit gas. Een voorbeeld is natrium. Als je natrium sterk verhit, zie je met een spectroscoop o.a. een gele lijn. Deze lijnen die je ziet zijn karakteristiek voor het gas. Dus als je een bepaald emissiespectrum ziet, kan je eruit afleiden waar de atmosfeer van de ster uit bestaat.

Als je wit licht door een gaswolk zendt, zie je een continu spectrum met een aantal donkere lijnen. Deze lijnen staan op dezelfde plek als de karakteristieke lijnen van het gas. Hieruit mogen we concluderen dat het gas die bepaalde golflengte absorbeert. Dit hangt samen met het aangeslagen raken van elektronen in het gas.

16 Noordhoff(2006), Pulsar-Natuurkunde vwo bovenbouw deel 2.pag. 122-123 Geraadpleegd op 12-06-2014

Golf of deeltje?

Tegenwoordig wordt aangenomen dat licht zich zowel als deeltje als golf kan gedragen. Het foton is dus anders per gebruikte meetopstelling. Het foton heeft hier dus een link met bijvoorbeeld Schrödingers kat (die dood en levend tegelijk is, zolang de kat niet wordt geobserveerd). In het geval dat licht een deeltje is, het foton, kunnen we berekenen hoeveel energie dit deeltje bevat. Het blijkt namelijk dat de hoeveelheid energie alleen afhankelijk is van de frequentie, oftewel: . Deze constante werd voor het eerst geïntroduceerd door Max Planck in 1900. De waarde van deze constante is 6,626*10-34Js, later vernoemt naar hem; de Constante van Planck met als symbool h.16 Hiermee wordt de vergelijking: .

Warmte van een object

Zoals eerder al geschreven, zenden alle objecten warmer dan 0K straling uit als gevolg van hun temperatuur. Hoe warmer een voorwerp wordt hoe blauwer het licht dat het voorwerp uitzendt. Dus hoe kouder een voorwerp wordt hoe roder het licht wordt. Aan de hand van Planck-krommen kan je afleiden hoe warm een voorwerp is. De Planck-krommen zien er als volgt uit:

16 Noordhoff(2006), Pulsar-Natuurkunde vwo bovenbouw deel 2.pag. 122-123 Geraadpleegd op 12-06-2014

Hieruit valt af te leiden dat zonlicht wit is, aangezien het oppervlakte van de zon een temperatuur heeft van ca. 5800K. Op dat punt onder de kromme is het licht het meest verspreidt over het gehele frequentiebereik van zichtbaar licht.16

Observatie

Op 26 februari 2014 gingen wij de sterrenkoepel in. Het was een super heldere nacht, dus een perfect moment voor ons om de sterrenkoepel in te gaan. Voordat we naar Sirius gingen kijken, moesten we eerst een aantal standaard checks doen. Om te beginnen moest de koepel open en met het open luik de goede kan op staan. Met behulp van een applicatie op ons mobieltje en een soort sterrenkaart, konden we achterhalen waar Sirius ongeveer aan de hemel stond. Uiteindelijk konden we met het blote oog (na wat aanwijzingen van meneer Zijderveld) zien welk stipje de ster was die wij wilden gaan observeren.

Via een menu in de afstandsbediening die de telescoop bestuurd konden wij Sirius kiezen, waarna hij zich automatisch op de ster richtte. Er was alleen op dat moment een probleem met de telescoop. Het lukte niet om de ster te blijven volgen. Het gevolg was dus dat je de ster langzaam kon zien verschuiven. We moesten de telescoop dus telkens met de hand bijstellen.

Ook was het aan ons de taak om de telescoop op de dubbelster te richten, zonder gebruik te maken van de computer. Hiervoor moesten wij eerst ongeveer richten, totdat je de ster in een klein vizier kon zien. Als de ster dan precies in het midden stond, kon je (als je het goed had gedaan) de ster door het oculair zien. Met nog gevoeligere bewegingen was het mogelijk om de ster precies in het midden te krijgen. Voor eventjes dan, want door de draaiing van de aarde lijkt de ster te bewegen en dreef dus als het ware van het beeld af.

Om foto’s te maken, moesten we de spiegelreflexcamera van meneer Zijderveld aan de telescoop vast maken. Door een langere sluitertijd in te stellen lukt het om helderen en mooiere foto’s te maken. Het probleem was alleen dat er bij ons bij een te langen sluitertijd een streepje ontstond, omdat de telescoop niet meedraaide.

Waarnemingen en verklaring

Wat wij met de telescoop te zien kregen, was eigenlijk niet veel meer dan een witte stip. In vergelijking met andere objecten was Sirius niet erg spannend om te observeren. Wat wel interessant was en vragen opriep, waren de gekleurde lijnen die boven, onder, links en rechts van Sirius afkomen. Om achter dit raadsel te komen, zijn wij naar meneer Fokkema gegaan voor uitleg. Helaas is het zelfs hem na lang nadenken en het halve internet afspeuren ook niet gelukt om op het antwoord te komen. Wel heeft hij uitleg kunnen geven over verschillende verschijnselen en zaken die hier mee te maken zouden kunnen hebben.

Deze lijnen lijken erg veel op diffraction spikes. Dit zijn fouten in de waarneming van de sterren. Bij de telescoop type Schmidt-Cassegrain zweeft de voorste spiegel als het ware in het midden van de opening van de telescoop. De spiegel wordt normaalgesproken vast gehouden door een viertal staafjes zoals te zien is op de afbeelding. Het licht dat de telescoop binnenkomt buigt langs de staafjes, wat de oorzaak is van deze verschijning.

Nu is het punt dat de telescoop die wij op school gebruikten geen staafjes heeft. De secundaire spiegel zit vast in een stuk glas en dat sluit de opening af. Dit is speciaal gedaan om de pieken te voorkomen.

Er “moet” dus iets tussen de ster en de CCD zitten dat licht tegenhoudt (en waar het licht langs de rand buigt). Als het niet de telescoop is, moet het de camera zijn, maar ook hier hebben wij niet precies kunnen vinden waar het aan zou moeten liggen.

Er is maar één mogelijkheid om erachter te komen en daarvoor zouden we nog een keer de koepel in moeten gaan voor nog een observatie. Elke heldere puntbron, ster dus, zou voldoen. Dan kunnen we kijken of we dan weer de spikes zien. Hiervoor zouden we het beeld van het oculair moeten vergelijken met een foto die we van de ster maken. Zien we de spikes door het oculair (en dus ook op de foto), dan betekent dat, dat het iets in de telescoop is. Zien we de spikes alleen op de foto, dan ligt het aan de camera.

In principe is het spectrum dat wij zien het spectrum van de ster en zouden we dus in theorie iets kunnen zeggen over de samenstelling van de atmosfeer met behulp van de theorie die wij gehad hebben over elektromagnetische straling. Dit zou beter kunnen als al het licht gebogen wordt met behulp van een tralie. Zo wordt al het licht omgezet in een spectrum. Dat zou dus een mogelijkheid zijn voor een vervolgverslag.

Samenwerking

De samenwerking binnen dit project ging naar onze mening goed. We hadden in de eerste lessen al snel een idee welk object we wilden observeren. We hadden misschien wel iets beter moeten nadenken over onze keus, aangezien het tijdens de observatie een klein wit stipje was. Verder ging de voorbereiding goed, in december 2013 hadden we het grootste gedeelte van de theorie al af. Daarna heeft dit project verslag-technisch stil gelegen tot juni 2014 door o.a. andere ANW-projecten. In februari zijn Niels en ik wel nog een avond wezen sterrenkijken, wat voor ons verslag belangrijk was maar ook leuk. Ook hebben we eind mei 2014 contact opgenomen met Dhr. Fokkema, om de vreemde spectraallijnen te verklaren. Hij heeft ons goed geholpen met het theoriedeel over straling en warmte. Al met al was het een langdurig project, maar heeft het ons tot nieuwe inzichten gebracht. Een belangrijke les de volgt uit dit project is: “stel dingen niet te lang uit”.

16 Noordhoff(2006), Pulsar-Natuurkunde vwo bovenbouw deel 2.pag. 131 Geraadpleegd op 12-06-2014