Thema 1: Kijken vanuit de ruimte PDF

Thema 1 Kijken vanuit de ruimte 1.1 Ontstaan en opbouw van het heelal 1 Het ontstaan van het heelal 2 Het ontstaan van materie 3 De structuur van het heelal 4 De Melkweg 5 Een evoluerend heelal 1.2 Het zonnestelsel 6 Het ontstaan van de zon 7 H...

Thema 1 Kijken vanuit de ruimte 1.1 Ontstaan en opbouw van het heelal 1 Het ontstaan van het heelal 2 Het ontstaan van materie 3 De structuur van het heelal 4 De Melkweg 5 Een evoluerend heelal 1.2 Het zonnestelsel 6 Het ontstaan van de zon 7 Het ontstaan van planeten en manen 8 Het ontstaan van andere leden van het zonnestelsel 9 Structuur van het zonnestelsel 10 De evolutie van de zon 1.3 Het ontstaan van het systeem aarde 11 Het systeem aarde 12 De geosfeer 13 Het ontstaan van atmosfeer en hydrosfeer 14 Opbouw van de huidige atmosfeer Thema 2 Kijken in de aarde Thema 3 Kijken vanop de aarde Thema 4 Kijken in de tijd Thema 5 Interactie Thema 6 Inrichting van de ruimte Thema 7 Onderzoek in eigen omgeving  1.1 Ontstaan en opbouw van het heelal Een ruimteschip reist door het heelal. De instrumenten aan boord leggen beelden vast van wolken, gas, miljarden sterren en hun bewegingen. Hoe is de ruimte en de materie ontstaan? Wat deed die beweging op gang komen? Hoe kan er structuur in de ruimte worden gebracht? 1 Het ontstaan van het heelal Een observerende wetenschap Kosmografie is zo oud als de mensheid. Duizenden jaren geleden al bewonderden onze voorouders de schitterende aanblik van de nachtelijke hemel. Kosmos is het Griekse woord voor ‘orde’. Deze orde in het heelal werd in veel culturen als goddelijk beschouwd. Hemellichamen kregen vaak goddelijke namen: Venus, Mars, Jupiter … De kosmos had dus een spirituele rol. Daarnaast bood hij onze voorouders ook een houvast. Lang voor de uitvinding van het kompas gebruikten scheepslui de sterrenhemel om te navigeren. De regelmaat van de bewegingen van de hemellichamen stelde de mens 1.1 Het sterrenbeeld Orion in staat om de tijd in te delen en te plannen. De tijdstippen In de oudheid zagen mensen in bepaalde sterrenpatronen de vorm van waarop het regenseizoen of hoogwater kon verwacht dieren of mythologische figuren: sterrenbeelden. Elk patroon kreeg een naam: Orion, de Grote Beer, de Zwaan... De patronen in sterrenbeelden worden en waarop gezaaid of geoogst moest worden, zijn maar schijn: sterren die gezien vanaf de aarde bij elkaar in de buurt werden aangekondigd door de stand van de maan, de staan, staan in werkelijkheid vaak op zeer verschillende afstanden. planeten of de sterrenbeelden. Afstandsmaten in het heelal Wie de hemel in kaart wil brengen, heeft instrumenten De verste planeet, Neptunus, bevindt zich op 30 AE. nodig om afmetingen en afstanden weer te geven. Proxima Centauri, na de zon de dichtstbijzijnde ster, staat op Buiten de aarde worden afstanden uitgedrukt in kilometer 265 000 AE. Het is duidelijk dat er buiten ons zonnestelsel al snel heel groot. Zo is de afstand tussen de aarde en niet langer gerekend kan worden met de astronomische de maan gemiddeld 384 000 km en staat de zon op eenheid. Een eenheid om met grotere afstanden te kunnen gemiddeld 150 miljoen km van de aarde. Daarom gebruikt werken, is het lichtjaar. Het is de afstand die het licht de kosmografie andere afstandsmaten. aflegt met een snelheid van 300 000 km/s in één jaar. Wetenschappers gebruiken onder meer de astronomische Proxima Centauri staat op 4,2 lichtjaar, de Poolster op eenheid. Eén astronomische eenheid of AE is de gemiddelde 432 lichtjaar. Het licht van de Poolster doet er dus 432 jaar afstand tussen de aarde en de zon. Deze afstand bedraagt over om tot op de aarde te raken. De dichtste ster, onze gemiddeld 150 miljoen km. Deze maat wordt gebruikt om zon, staat op acht lichtminuten en twintig lichtseconden de afstanden tot andere hemellichamen te vergelijken van de aarde. binnen ons zonnestelsel, zoals de zon en haar planeten. afstand tot de zon afstandsmaat afkorting waarde aarde Neptunus Proxima Centauri astronomische eenheid AE 150.106 km 1 AE 30 AE 265 000 AE 63 241 AE of 8 lichtminuten lichtjaar lj 4 lichturen 4,2 lj 9,46.1012 km 20 lichtseconden 1.2 Verschillende afstandsmaten in het heelal 8 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte De oerknal Het heelal is dynamisch. Het evolueert voortdurend. Het prille compacte heelal was onvoorstelbaar heet, maar De meeste wetenschappers nemen aan dat het heelal tot koelde bij het uitdijen systematisch af. Een deel van de stand kwam door een gloeiend heet en dens ‘oeratoom’ warmtestraling, vrijgekomen bij de oerknal, bereikt ons dat plots razendsnel expandeerde en waarbij tijd, ruimte, nu pas, nadat zij al die tijd door de uitdijende, afkoelende massa en energie zijn ontstaan. Dit werd voor het ruimte heeft gereisd. Deze kosmische achtergrondstraling eerst beschreven door de Belg Georges Lemaître als de heeft vandaag nog een temperatuur van ongeveer drie theorie van de oerknal of de big bang. Wetenschappers kelvin. Ze komt van de verste uiteinden van het heelal, berekenden dat de oerknal 13,82 miljard jaar geleden heeft uit alle richtingen, met gelijke sterkte op ons af en werd plaatsgevonden. in 1965 toevallig ontdekt. Deze achtergrondstraling vormt een overtuigende ondersteuning van het beeld van een hete oerknal en de verdere ontwikkeling van het pasgeboren heelal. 2 Het ontstaan van materie Een donkere periode nu 3K tijd na oerknal temperatuur van het heelal De eerste fracties van seconden na de oerknal zag het heelal er helemaal anders uit. Door de hoge temperatuur elektro- en dichtheid gingen de verschillende vormen van massa zwakke magnetische kernkracht en straling spontaan in elkaar over. De natuurkrachten kracht waren onherkenbaar samengebald in één oernatuurkracht. Naarmate het heelal groeide en afkoelde, begon het zich 10-10s 1015K stapsgewijs te vormen en te organiseren. elektro- zwakke elektro- In de eerste 10 s na de oerknal splitste de zwaartekracht -43 kracht zwak zwaarte- tijdperk of gravitatiekracht zich als eerste natuurkracht af van sterke kracht de oerkracht. Na 10-35 s kwam ook de sterke kernkracht kernkracht 10-35s 1027K los, waarna het heelal plots razendsnel vergrootte, dit gut is inflatie (1.5). De laatste natuurkrachten, de zwakke tijdperk kernkracht en de elektromagnetische kracht ontkoppelden 10-43s 1032K na 10-10 s, toen het koel genoeg was. Sindsdien gelden de natuurwetten zoals ze vandaag zijn. Hun samenspel bepaalt de opeen­volgende gebeurtenissen. Planck tijdperk In de eerste seconde na de oerknal raakt het heelal ook gevuld met minuscule deeltjes, waaronder protonen, neutronen, elektronen en lichtdeeltjes (fotonen). Ze oerkracht zijn niet gelijkmatig verdeeld over de ruimte. Door de inflatie zijn er kleine dichtheidsverschillen en dus kleine temperatuurverschillen ontstaan. 1.3 Het ontstaan van de vier natuurkrachten 1.1 Ontstaan en opbouw van het heelal 9  Vanaf minuut twee kunnen protonen en neutronen Kosmische achtergrondstraling samenkomen. Ze vormen kernen van waterstof, helium Kosmische achtergrondstraling in het heelal, waargenomen en (in mindere mate) lithiumatomen. Dit proces, de door de satelliet WMAP tussen 2001 en 2010. De afbeelding toont de hele kleine temperatuurverschillen in het jonge heelal, nucleosynthese, gaat ongeveer een halfuur door. De ontstaan door een verschil in dichtheid. De temperatuurver- jonge atoomkernen zijn nu omgeven door een zee van vrij schillen bedragen 1/100 000 °C. De blauwe vlekken geven bewegende elektronen waartussen zich de lichtdeeltjes de koudere, ijle gebieden weer, de rode vlekken de densere, bevinden. Telkens als een lichtdeeltje op een elektron botst, warmere regio’s waar later sterrenstelsels zullen ontstaan. verandert het van richting maar blijft het gevangen in de zee van elektronen. Het maakt het heelal ondoorzichtig zoals mist. Na 380 000 jaar wordt het heelal doorzichtig. Het is afgekoeld tot enkele duizenden graden Celsius. Bij deze temperatuur kunnen elektronen en atoomkernen samenkomen tot neutrale atomen. De elektronen zitten gevangen, waardoor de lichtdeeltjes nu ruimte krijgen om te bewegen zonder voortdurend op geladen deeltjes af te ketsen. Een deel van deze lichtdeeltjes reist nog altijd door 1.4 Kosmische achtergrondstraling de ruimte en wordt op aarde waargenomen als kosmische achtergrondstraling (1.4). ie ? rg ene ere nk do eerste sterren 200 000 000 jaar na de big bang inflatie nu big bang 13 820 000 000 jaar na de big bang kosmische achtergrondstraling 400 000 jaar na de big bang eerste sterrenstelsels 200 000 000 jaar na de big bang vorming van ons zonnestelsel 8 700 000 000 jaar na de big bang 1.5 Ontstaan en evolutie van het heelal 10 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte  3 De structuur van het heelal Kleine dichtheidsverschillen in het heelal bepalen het Clusters zijn op hun beurt gegroepeerd in superclusters. De verdere verloop. De gravitatiekracht trekt steeds meer Lokale Groep vormt met honderd andere clusters de Lokale materie naar gebieden die een grotere dichtheid hebben. Supergroep (1.7). Ook superclusters zijn gravitationeel De ijlere regio’s worden daardoor nog leger. De densere gebonden tot een dradig netwerk van muren. De Lokale gebieden trekken samen tot een netwerk van filamenten Supergroep vormt zo slechts een onbetekenend stukje en knooppunten van de atomen waterstof en helium. van de Grote Muur van Sloan: zo’n 500 miljoen lichtjaar In de knooppunten worden sterren geboren. Het zijn in lang en 300 miljoen lichtjaar breed en omgeven door een feite gaswolken die door de samentrekking zo heet worden enorme leegte. dat er kernfusies in plaatsvinden en ze licht uitzenden. Zo lijkt het heelal op een schuimbad, met lege zeepbellen De sterren blijven samen door de gravitatiekracht die ze omgeven door wanden die bestaan uit superclusters, op elkaar uitoefenen en vormen een sterrenstelsel. In clusters, sterrenstelsels en sterren. sterrenstelsels komen sterren soms geconcentreerd voor in sterrenhopen. Sterren in één sterrenhoop hebben vaak dezelfde oorsprong en blijven door de zwaartekracht op z’n minst enige tijd samen. Ons heelal bevat vandaag ontelbare sterrenstelsels, vaak slechts zichtbaar als een vlekje aan de sterrenhemel. Naast zo’n 100 miljard sterren bevatten deze sterrenstelsels ook gas, stofwolken, soms nevels genoemd, en donkere materie. Sterrenstelsels zijn niet uniform verdeeld over de ruimte. Grote stelsels worden vaak op relatief korte afstand vergezeld van dwergsterrenstelsels. Bijeengehouden door de gravitatiekracht vormen de sterrenstelsels samen opnieuw een verzameling. Dit zijn clusters. Ons Melkwegstelsel en het Andromedastelsel zijn bijvoorbeeld de twee grootste leden van een cluster van enkele tientallen sterrenstelsels die de Lokale Groep wordt genoemd (1.7). Clusters van sterrenstelsels worden vaak genoemd naar het sterrenbeeld waarin ze vanop de aarde te zien zijn. Bekende voorbeelden zijn de Virgocluster en de Herculescluster. 1.6 De Arendnevel Bron: NASA Melkweg Lokale Groep Lokale Netwerk van Supergroep Superclusters 100 000 lichtjaar 7 miljoen lichtjaar 100 miljoen lichtjaar 500 miljoen lichtjaar 1.7 Structuur van het heelal 1.1 Ontstaan en opbouw van het heelal 11  4 De Melkweg De Melkweg is het sterrenstelsel waarin onze zon zich bevindt, en dus ook de aarde. Het is de heldere band die ’s nachts onze hemelkoepel overspant. De Melkweg bevat 200 tot 400 miljard sterren. Alle sterren die vanaf de aarde zichtbaar zijn, maken er deel van uit. In zijaanzicht is ons Melkwegstelsel een dunne platte schijf met een centrale verdikking. Daar bevinden zich de meeste sterren in. De ruimte tussen de sterren is niet leeg maar bestaat uit nevels en donkere materie. Donkere materie is materie die zwaartekracht uitoefent maar niet zichtbaar is omdat ze geen licht weerkaatst of uitzendt. Wetenschappers vermoeden dat het overgrote deel van die donkere materie uit onbekende elementaire deeltjes bestaat. De Melkweg heeft een diameter van 100 000 lichtjaar en is 3 000 lichtjaar dik. In bovenaanzicht heeft de Melkweg een spiraalstructuur. De spiraalarmen zijn plaatsen waar stof en gas wordt samengeperst en waar nieuwe sterren geboren worden. 1.8 De Melkweg en de Magelhaense Wolken Onze zon bevindt zich in de Orionarm op zo’n 28 000 lichtjaar van de kern. Onderzoekers hebben ontdekt De bolvormige halo rond de schijf is het gebied waarin de dat de Melkweg, net zoals de meeste sterrenstelsels, gravitatiekracht nog invloed heeft. waarschijnlijk één of meerdere zwarte gaten in zijn kern heeft. Net als andere grotere sterrenstelsels wordt ons Melk­ De platte schijf waarin de spiraalarmen liggen, roteert rond wegstelsel vergezeld door kleine sterrenstelsels die rond zijn kern. De rotatiesnelheid ligt tussen 210 en 235 km/s. de Melkweg draaien. De Grote en de Kleine Magelhaense Zo voltooit onze zon één omwenteling in 225 miljoen jaar. Wolk zijn de bekendste. bovenaanzicht Melkweg zijaanzicht Melkweg Magelhaense wolken ca. 100000 lichtjaar 28 000 lichtjaar kern centrale verdikking kern centrale halo zon verdikking zon schijf 100 000 lichtjaar 1.9 De Melkweg 12 Thema 1 Kijken vanuit de ruimte  5 Een evoluerend heelal Sinds het onderzoek van Georges Lemaître is bekend niet. Het is enkel de ruimte tussen de sterrenstelsels die dat het heelal uitdijt. Hij berekende dat sterrenstelsels uitdijt, waardoor hun onderlinge afstand groter wordt. uit elkaar bewegen met een snelheid die recht evenredig Daarnaast valt er net als op het ballonoppervlak geen is met hun onderlinge afstand. Edwin Hubble toonde ‘middelpunt van het heelal’ aan te wijzen van waaruit alles via observaties met een telescoop de juistheid van de uitdijt. De uitdijing vindt dus overal plaats. berekeningen aan. Het werd de wet van Hubble-Lemaître. Een uitdijend heelal roept allerlei vragen op. Wat dijt er uit? En waar gebeurt die uitdijing? De vergelijking met een ballon waarop je stippen kleeft die sterrenstelsels voorstellen, kan meer inzicht geven. Als je de ballon opblaast, wordt de afstand tussen de stippen groter, maar de stippen zelf veranderen niet van grootte of plaats. Bovendien valt er geen stip aan te wijzen die het middelpunt van de uitzetting is. Net zoals het oppervlak van de ballon wordt het heelal groter. Toch veranderen de onderlinge positie en de grootte van de sterrenstelsels 1.10 De ballonanalogie voor het uitdijend heelal De toekomst van het heelal Of de expansie van het heelal in de toekomst verder doorgaat, Veel wetenschappers beschouwden een Big Crunch als een hangt af van zijn kritische massadichtheid. Dat is de minimale plausibele toekomst voor het universum, tot in 1998 donkere hoeveelheid materie in de bestaande ruimte die nodig is om met energie werd ontdekt, een eigenschap van de ruimte die de zijn gravitatiekracht het heelal samen te houden. Er bestaan expansie van het universum versnelt. Sindsdien zijn de volgende verschillende toekomstscenario’s. scenario’s waarschijnlijker. Big Crunch Big Rip Volgens deze theorie is er zoveel materie dat de massadichtheid Donkere energie versnelt de expansie, waardoor de massadicht- van het heelal de kritische massadichtheid overschrijdt. De gravita- heid van het heelal onder de kritische waarde zakt. In dit scenario tiekracht is groot genoeg om het uitdijen af te remmen en zelfs tot dijt de ruimte tussen en binnen sterrenstelsels zo snel uit dat de stilstand te brengen. Vanaf dit moment beginnen sterrenstelsels gravitatiekracht ze niet langer bij elkaar kan houden. Hierdoor weer naar elkaar toe te bewegen. Het heelal trekt samen en stort wordt alles uit elkaar getrokken: sterrenstelsels, sterren, plane- ineen in een omgekeerde big bang: de Big Crunch. ten en uiteindelijk zelfs atoomkernen. Big Chill Big Rip De theorie van de Big Chill lijkt erg veel op die Big Chill snelheid van kosmische expansie van de Big Rip, alleen wordt volgens dit sce- nario de materie zelf niet uit elkaar getrokken. Door de versnelde expansie gaan sterrenstel- sels steeds verder uit elkaar. Uiteindelijk ver- dwijnen ze uit ons zicht. Door de afnemende massadichtheid kunnen er geen nieuwe ster- ren ontstaan. Bestaande sterren doven uit. Het heelal eindigt als een donkere, koude leegte. Big Crunch big 10 miljard heden toekomst bang jaar geleden 1.11 De evolutie van het heelal 1.1 Ontstaan en opbouw van het heelal 13