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