EEN REUSACHTIGEDIAMANT ZWEEFTDOOR HET HEELAL De geheimen van Lucy ontrafeld                             C. de Jager
Een diamant in het heelal?• Een ‘witte dwergster’ die uit koolstof bestaat : BPM    37093, staat op 54 lichtjaren afstand ...
Zo zag een artiest het: de diamantster Lucy (= BPM 37093)
Maar eerst: wat zijn witte           dwergen  Alle sterren die ongeveer dezelfde massahebben als de zon tot en met sterren...
De eerste witte dwerg werd ontdekt in 1862 door AlvanCark – Sirius B, de begeleider van Sirius ; zie links onder
Een ontdekking waar men eerstniet aan wilde• DE ster straalde wit – had dus een hoge    oppervlakte temperatuur•   Straald...
Een zeer gecomprimeerde ster• Maar dan moest die zonsmassa in een heel    klein sterretje zitten•   Een ster met een dicht...
Eigenschappen van Sirius B• Oppervlakte temperatuur 25 000 Kelvin• Lichtsterkte = 0,000 09 die van Sirius A• Heel klein: m...
Als voorbeeld een andere witte dwergster: links de ster IKPegasi, dan zijn witte dwerg begeleider en rechts de zon.Bedenk ...
Waarom wordt de zonuiteindelijk een witte dwerg?  Het is alles gevolg van de wijze  waarop de straling van de zon         ...
Eerst het volgende gegeven:Ons heelal bestaat voor ca. 90% uit waterstofgas en voor de rest uit heliumgas (ca. 10%) en voo...
De levensloop van zon-achtige sterren• De zon straalt door kernfusie in het inwendige:    waterstofgas wordt omgezet in he...
Maar de voorraad waterstof raakt op !• Terwijl gedurende miljarden jaren de voorraad waterstof    in de kern van de zon st...
Geen kernfusie meer in de kernvan de zon• Als alle waterstof in de kern van de zon in    helium is omgezet dan is er geen ...
Zonne-kern wordt machteloos; wat nu?• Geen kernfusie, verminderde stralingsdruk  en gasdruk in het inwendige van de zon• G...
Gedegenereerd (ontaard) elektronengas ishet eindstadium• Het ineenstorten van de sterrekern gaat door tot een    voldoend ...
De levensloop van zon-       achtige sterrenWe beschrijven de levensloop van sterrenmet zonsmassa tot sterren met acht maa...
Drie fasen in evolutie zon 1. contractiefase; de zon ontstaat uit een gaswolk, krimpt        samen en wordt een echte ster...
Ouderdom van de stofwolk waaruit zon enaarde ontstonden, afgeleid uit meteorieten
Zonnestelsel begon dus ca. 4567 miljoen jaar geleden20 miljoen jaar later was de zon er: onze zon is         dus ca. 4550 ...
Levensloop van de zon in stappenvan een miljard jaar
voorlaatste fase: planetaire nevel omwitte dwerg (voorbeeld: Ringnevel in de Lier)
Andere planetaire nevel
Een planetaire nevel leeft niet lang • Er is nog steeds een kleine expansie snelheid,     die is overgebleven va de implos...
Afkoeling van witte dwergen•   Een witte dwerg produceert geen energie door kernfusie•   Toch straalt hij nog wel, omdat h...
Een noodzakelijk zijstapje:      nog zwaardere sterren Sterren zwaarder dan 8 maal de zon hebben  zoveel massa dat de inwe...
zwaardere sterren• In sterren met meer massa dan ca. 8 maal de    zon zal na de heliumfusie de inwendige    temperatuur ve...
Als bij de zon maar heviger• Bij het uiteindelijke ineenstorten komt zoveel    implosie energie vrij dat de buitenlagen   ...
Supernova 1987A tijdens en vóór explosie
Evolutie hangt af van stermassa
Hoe zwaar kan een witte    dwergster zijn? Chandrasekhar voorspelde: eenwitte dwerg kan niet zwaarder zijn   dan 1,44 maal...
Voorspelde massa-straal relatieGroen: klassiek; rood: de relatie van Chandrasekhar; zie de limiet bij 1,44
We kennen twee soorten witte dwergen; het verschil zit in desamenstelling van de atmosfeer     - Atmosfeer van zuiver wate...
Gravitatiediffusie in witte dwergen• De zwaartekrachtversnelling is groot: in Sirius B is dit    400 kilometer per seconde...
NU DE STER LUCY•   Afstand 54 lichtjaren•   Lichtkracht is 0,0006 maal de zon•   Middellijn is slechts 4000 km ; dat is 1/...
Lucy: C/H ≈ C/He ≈ 30 - 40. Gravitatie versnelling ≈ 1000km/s/s. Oppervlakte temperatuur = 21 830 K
Lucy heeft dus een        koolstofatmosfeerEn liggen er dan nog zwaardere elementen  onder die atmosfeer? Lucy dankt haar ...
We moeten een nieuwe weg      inslaan om de koolstof      atmosfeer te verklaren   Een bijzondere onderstelling: Kan de wi...
De heliumflits• In gedegenereerde materie is de gasdruk niet afhankelijk  van de temperatuur!! Heel anders dan in niet-  g...
Hypothese van Dufour c.s.• 1. Zware ster (8 – 10 zon) aan het eind van de    He-C fusie. Bijna alle waterstof in de kern i...
Vervolg hypothese Dufour c.s.• 3. Warmtegeleiding in gedegenereerde  materie is zeer groot; daardoor wordt de  heliumlaag ...
Zo zou Lucy kunnen zijn ontstaan• Maar … er was dus wel een zware ster voor    nodig (8 tot 10 maal de zon) die echter nie...
Het klopt: Lucy is gekritalliseerd• BPM 37093 (Lucy), met zijn hoge  oppervlaktetemperatuur, blijkt te trillen.• Het onder...
Gewetensvraag: is Lucy welecht een diamant? Ja en neen!• Ja, want Lucy bestaat net als diamanten uit    koolstofkristallen...
Lucy  Lucy is een ster die bestaat uit een kern van vast   zuurstof met daar om heen gekristalliseerd vast koolstof. Daarb...
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Diamantster

3,596

Published on

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total Views
3,596
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
9
Actions
Shares
0
Downloads
19
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Transcript of "Diamantster"

  1. 1. EEN REUSACHTIGEDIAMANT ZWEEFTDOOR HET HEELAL De geheimen van Lucy ontrafeld C. de Jager
  2. 2. Een diamant in het heelal?• Een ‘witte dwergster’ die uit koolstof bestaat : BPM 37093, staat op 54 lichtjaren afstand in het sterrenbeeld Centaurus• Een witte dwerg is een ineengestorte ster: maar deze bestaat uit gekristalliseerd koolstof, een zeldzaamheid!• Ook diamant is een kristal van koolstof• Hebben we hier te maken met een quintiljoen karaats diamant ?• De ontdekte ster werd Lucy genoemd, naar het lied van de Beatles: “Lucy, the sky with diamonds”
  3. 3. Zo zag een artiest het: de diamantster Lucy (= BPM 37093)
  4. 4. Maar eerst: wat zijn witte dwergen Alle sterren die ongeveer dezelfde massahebben als de zon tot en met sterren van ca. 8 maal die massa storten aan het eind van hun leven ineen tot een witte dwerg. Eens wordt de zon ook een witte dwerg
  5. 5. De eerste witte dwerg werd ontdekt in 1862 door AlvanCark – Sirius B, de begeleider van Sirius ; zie links onder
  6. 6. Een ontdekking waar men eerstniet aan wilde• DE ster straalde wit – had dus een hoge oppervlakte temperatuur• Straalde echter tienduizend maal minder licht uit dan de zon• Moest dus een heel klein oppervlak hebben: een heel kleine ster• Maar dat sterretje trok aan Sirius met dezelfde aantrekkingskracht als de zon dat zou doen – moest dus ongeveer even zwaar zijn als de zon
  7. 7. Een zeer gecomprimeerde ster• Maar dan moest die zonsmassa in een heel klein sterretje zitten• Een ster met een dichtheid (soortelijk gewicht) van ongeveer een miljoen gram per kubieke cm• Maar zulke stoffen kenden we niet. Lood was ongeveer de zwaarste stof die men toen kende• Pas omstreeks 1910 werd dit opgelost• Een ontaard elektronengas
  8. 8. Eigenschappen van Sirius B• Oppervlakte temperatuur 25 000 Kelvin• Lichtsterkte = 0,000 09 die van Sirius A• Heel klein: middellijn = 0,008 die van de zon• Massa is echter bijna dezelfde als die van de zon: 0,98 maal de zon• Dus is dichtheid ≈ twee miljoen maal die van water; dus: 1 cm3 weegt twee ton
  9. 9. Als voorbeeld een andere witte dwergster: links de ster IKPegasi, dan zijn witte dwerg begeleider en rechts de zon.Bedenk dan dat de zon 100 maal groter is dan de aarde
  10. 10. Waarom wordt de zonuiteindelijk een witte dwerg? Het is alles gevolg van de wijze waarop de straling van de zon ontstaat
  11. 11. Eerst het volgende gegeven:Ons heelal bestaat voor ca. 90% uit waterstofgas en voor de rest uit heliumgas (ca. 10%) en voor ca. 1% uit nog zwaardere gassen. De energie opwekking in hetinwendige van sterren heeft hoofdzakelijk te maken met de omzetting van waterstofgas in heliumgas
  12. 12. De levensloop van zon-achtige sterren• De zon straalt door kernfusie in het inwendige: waterstofgas wordt omgezet in heliumgas. Dat proces levert de enorme stralingsstroom van de zon (en daar danken wij ons bestaan aan)• Straling uit het binnenste van de ster oefent een druk uit; de stralingsdruk.• Daardoor en door de gasdruk van het zonnegas worden de buitenlagen van de ster opgeblazen en als gevolg is de zon zo groot: de diameter is 1,4 miljoen km
  13. 13. Maar de voorraad waterstof raakt op !• Terwijl gedurende miljarden jaren de voorraad waterstof in de kern van de zon steeds verder opraakt krimpt de kern ineen, maar daardoor wordt de temperatuur in de zonnekern steeds hoger, tot in de buurt van 100 miljoen graden• Door die hogere temperatuur nemen de stralingsdruk en de gasdruk toe; de buitenste delen van de ster zwellen op: de ster wordt groter in omvang• Door die hogere temperatuur wordt ook steeds sneller waterstof in helium omgezet en dus straalt hij ook feller tot uiteindelijk alle waterstof-brandstof op is.
  14. 14. Geen kernfusie meer in de kernvan de zon• Als alle waterstof in de kern van de zon in helium is omgezet dan is er geen materiaal meer voor fusiereacties (althans niet bij deze temperatuur)• Dan wordt dus ook geen straling meer uitgezonden• De temperatuur in de kern van de ster neemt daardoor snel af• Daardoor neemt ook de gasdruk af• Er is dan ook geen stralingsdruk meer
  15. 15. Zonne-kern wordt machteloos; wat nu?• Geen kernfusie, verminderde stralingsdruk en gasdruk in het inwendige van de zon• Gevolg is dat de kern van de ster ineen stort• Door die klap komt zoveel botsingsenergie vrij dat de buitenlagen van de ster met grote snelheid worden weggestuurd, de ruimte in.• Een gaswolk ontstaat om de ster
  16. 16. Gedegenereerd (ontaard) elektronengas ishet eindstadium• Het ineenstorten van de sterrekern gaat door tot een voldoend grote tegendruk is bereikt• Elektronendegeneratie bepaalt die grensdruk• In zo’n gas zijn de atomen al hun elektronen kwijtgeraakt; die vliegen ‘los’ rond• Het gas is dan zover samengeperst dat alle elektronen slechts voorgeschreven snelheden kunnen hebben; alle mogelijke snelheidswaarden zijn dan ‘bezet’. Dat heet volledige degeneratie van het elektronengas• De afstand tussen de atomaire deeltjes is dan van de orde van 10-10 tot 10-9 cm (≈ een honderdste tot een tiende van de middellijn van de atomen)
  17. 17. De levensloop van zon- achtige sterrenWe beschrijven de levensloop van sterrenmet zonsmassa tot sterren met acht maal grotere massa’s
  18. 18. Drie fasen in evolutie zon 1. contractiefase; de zon ontstaat uit een gaswolk, krimpt samen en wordt een echte ster (ca. 20 miljoen jaren)2. De zon blijft het grootste deel van zijn leven (ca. 9 miljard jaar) een ‘gewone ster’ tot hij, geleidelijk steeds helder wordend, een reuzenster wordt.3. Ten slotte is de kernbrandstof op en stort de ster ineen; de eindfase is een witte dwerg
  19. 19. Ouderdom van de stofwolk waaruit zon enaarde ontstonden, afgeleid uit meteorieten
  20. 20. Zonnestelsel begon dus ca. 4567 miljoen jaar geleden20 miljoen jaar later was de zon er: onze zon is dus ca. 4550 miljoen jaar oudAarde en planeten vormden enkele honderden miljoenen jaren later
  21. 21. Levensloop van de zon in stappenvan een miljard jaar
  22. 22. voorlaatste fase: planetaire nevel omwitte dwerg (voorbeeld: Ringnevel in de Lier)
  23. 23. Andere planetaire nevel
  24. 24. Een planetaire nevel leeft niet lang • Er is nog steeds een kleine expansie snelheid, die is overgebleven va de implosie energie • Ook zal het gas langzaam diffunderen naar de ruimte • Over blijft ten slotte de witte dwerg – deze is eerst nog vrij heet; rest-energie uit het sterinwendige, maar dat koelt af
  25. 25. Afkoeling van witte dwergen• Een witte dwerg produceert geen energie door kernfusie• Toch straalt hij nog wel, omdat hij langzaam afkoelt• Maar daardoor gaat wel zijn temperatuur en daarmee de helderheid omlaag! Dat gaat heel langzaam.• Er komen geen witte dwergen voor die minder licht uitstralen dan 0.000 03 maal de zonnestraling. Waarom?• Antwoord: gas-(?)bollen die nog minder licht uitstralen zijn te koud om nog zichtbaar licht te kunnen stralen; het zijn dus planeetachtige lichamen; ze bestaan deels nog wel uit gas, maar ook wel uit vaste stof
  26. 26. Een noodzakelijk zijstapje: nog zwaardere sterren Sterren zwaarder dan 8 maal de zon hebben zoveel massa dat de inwendige temperatuurten slotte hoger wordt dan 100 miljoen graden
  27. 27. zwaardere sterren• In sterren met meer massa dan ca. 8 maal de zon zal na de heliumfusie de inwendige temperatuur verder stijgen, tot boven 200 miljoen graden, waardoor kernfusie toch weer aanslaat en nog zwaardere elementen ontstaan.• Zo ontstaan uit het heliumgas stoffen zoals koolstof, zuurstof, neon en nog zwaardere elementen (en daaraan danken wij ons bestaan!)• Maar ook deze sterren komen aan hun eind
  28. 28. Als bij de zon maar heviger• Bij het uiteindelijke ineenstorten komt zoveel implosie energie vrij dat de buitenlagen exploderen met enorme snelheden, van de orde van 5.000 km per seconde• De ster was inmiddels een superreus geworden (helderheid ca. 100.000 maal die van de zon) en explodeert als supernova• Eindresultaat is neutronenster. Bestaat uit een gedegenereerd neutronengas
  29. 29. Supernova 1987A tijdens en vóór explosie
  30. 30. Evolutie hangt af van stermassa
  31. 31. Hoe zwaar kan een witte dwergster zijn? Chandrasekhar voorspelde: eenwitte dwerg kan niet zwaarder zijn dan 1,44 maal de zonsmassa
  32. 32. Voorspelde massa-straal relatieGroen: klassiek; rood: de relatie van Chandrasekhar; zie de limiet bij 1,44
  33. 33. We kennen twee soorten witte dwergen; het verschil zit in desamenstelling van de atmosfeer - Atmosfeer van zuiver waterstof (80%) - Atmosfeer van zuiver heliumgas (20%) - en tussenvormen (sporadisch)
  34. 34. Gravitatiediffusie in witte dwergen• De zwaartekrachtversnelling is groot: in Sirius B is dit 400 kilometer per seconde per seconde.• Daardoor drijft het lichtste gas boven: een laag waterstof boven heliumgas en daar onder het nog zwaardere materiaal. We noemen dit zwaartekracht- (gravitatie-) diffusie• In de meeste witte dwergen verwachten we dus een bovenliggende waterstofatmosfeer• In een ster waar alle waterstof in helium is omgezet: een heliumatmosfeer en daar onder een geringe hoeveelheid van de nog zwaardere elementen, zoals koolstof, zuurstof en nog zwaarder
  35. 35. NU DE STER LUCY• Afstand 54 lichtjaren• Lichtkracht is 0,0006 maal de zon• Middellijn is slechts 4000 km ; dat is 1/3 van die van de aarde; ongeveer zo groot als de maan• De massa is 1,1 maal die van de zon; de dichtheid is dus 30 ton per kubieke cm• Heel dunne atmosfeer van koolstof !, vermengd met een paar procent waterstof en helium - dat is ongewoon voor witte dwergen
  36. 36. Lucy: C/H ≈ C/He ≈ 30 - 40. Gravitatie versnelling ≈ 1000km/s/s. Oppervlakte temperatuur = 21 830 K
  37. 37. Lucy heeft dus een koolstofatmosfeerEn liggen er dan nog zwaardere elementen onder die atmosfeer? Lucy dankt haar bestaan aan de heliumflits
  38. 38. We moeten een nieuwe weg inslaan om de koolstof atmosfeer te verklaren Een bijzondere onderstelling: Kan de wittedwerg zijn ontstaan aan het levenseind van een“te” zware ster, die eigenlijk een supernova had moeten worden? De heliumflits helpt
  39. 39. De heliumflits• In gedegenereerde materie is de gasdruk niet afhankelijk van de temperatuur!! Heel anders dan in niet- gedegenereerde materie• Als de temperatuur stijgt tot boven 100 – 200 miljoen graden fuseert helium tot zuurstof en koolstof• Temperatuur neemt daardoor nog meer toe. Maar er is géén afkoeling door expansie! Want: een gedegenereerd gas zet niet uit bij toenemende temperatuur• De temperatuur neemt dus verder toe, nog sterkere heliumfusie, enz. Dit is de helium-flits
  40. 40. Hypothese van Dufour c.s.• 1. Zware ster (8 – 10 zon) aan het eind van de He-C fusie. Bijna alle waterstof in de kern is koolstof geworden. De ster implodeert.• Gasschillen vliegen weg (vormen planetaire nevel); rest (< 1,44 zonsmassa) degenereert en wordt witte dwerg• 2. De atmosfeer van deze ster is een dunne waterstoflaag en daaronder helium; deze heliumlaag is ook gedegenereerd
  41. 41. Vervolg hypothese Dufour c.s.• 3. Warmtegeleiding in gedegenereerde materie is zeer groot; daardoor wordt de heliumlaag ook op hoge temperatuur gebracht• 4. Er ontstaat een heliumflits die vrijwel al het overgebleven helium en waterstof in de ruimte doet verdwijnen. Rest: een gedegenereerde koolstof-zuurstof-ster
  42. 42. Zo zou Lucy kunnen zijn ontstaan• Maar … er was dus wel een zware ster voor nodig (8 tot 10 maal de zon) die echter niet in een supernova overging• Lucy was aanvankelijk niet vast, maar gasvormig. Was Lucy helemaal gasvormig?• Ja, Lucy was gasvorming maar na enige tijd zal het gedegenereerde gas uitkristalliseren• Dit gebeurt des te eerder naarmate de oppervlaktetemperatuur hoger is
  43. 43. Het klopt: Lucy is gekritalliseerd• BPM 37093 (Lucy), met zijn hoge oppervlaktetemperatuur, blijkt te trillen.• Het onderzoek van de aard van deze trillingen toont dat de ster uit vaste stof bestaat - uitgekristalliseerd is• Conclusie: Lucy bestaat uit gekristalliseerd koolstof – de diamant in de ruimte
  44. 44. Gewetensvraag: is Lucy welecht een diamant? Ja en neen!• Ja, want Lucy bestaat net als diamanten uit koolstofkristallen• Neen, want de dichtheid van deze kristallen is een miljoen maal groter dan die van de aardse kristallen• Ja, want aan het oppervlak zal Lucy een dun laagje hebben van niet-ontaarde koolstof – een dun laagje van echte diamant
  45. 45. Lucy Lucy is een ster die bestaat uit een kern van vast zuurstof met daar om heen gekristalliseerd vast koolstof. Daarbuiten een heel dunne atmosfeer vankoolstof vermengd met een paar procent waterstof en heliumgas We hebben een nieuw soort witte dwergen ontdekt: een ster met massa tussen 8 en 10 zonsmassa’s hoeft géén supernova te worden maar kan ineen storten tot een bijzondere soort witte dwergen.
  1. A particular slide catching your eye?

    Clipping is a handy way to collect important slides you want to go back to later.

×