Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Hoe oud is het heelal?

44 views

Published on

prof.dr. JT (Han) Zuilhof

Het is moeilijk voor te stellen dat het heelal ooit niet heeft bestaan. Dat zelfs de tijd niet heeft bestaan. Maar Hubble kwam er achter dat sterrenstelsels van ons af bewegen. Hoe verder een stelsel van ons af staat, hoe sneller het stelsel van ons af beweegt. Dit bracht hem op het idee, om terug te rekenen in de tijd. Er moet een moment geweest zijn, dat het hele heelal in één punt samen gepakt was. En vanaf dat moment is het heelal uit gaan dijen. Dit moment wordt de oerknal of big bang genoemd. Volgens de berekening is het heelal iets meer dan dertien en een half miljard jaar oud. Maar tegenwoordig er zijn nog andere manieren om de leeftijd van het heelal te bepalen. Dit geeft twee mogelijkheden:
De eerste mogelijkheid is dat de methodes dezelfde uitkomst geven. Dat is prettig want dan bevestigen de methodes elkaar.
Maar wat als er een heel verschillende uitkomst is!? Is dan één van de methodes beter dan de andere? Of moet je aan beide gaan twijfelen en is er meer onderzoek nodig?
Sommige vragen zijn niet eenvoudig te beantwoorden, maar ze zijn wel boeiend!

Han Zuilhof Hoogleraar Organische Chemie aan Wageningen Universiteit en een amateur astronoom.

Published in: Science
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Hoe oud is het heelal?

  1. 1. Hoe oud is het heelal? Han Zuilhof Han @ Astra Alteria Putten, Nov 26, 2018 Laboratory of Organic Chemistry 1/42
  2. 2. Global Science Amsterdam • Leiden • Wageningen •Eindhoven • Groningen 100 km 2/42 Wageningen Univ – The Netherlands Tianjin Univ – P.R. China
  3. 3. Grote vraag – bestaat al heel lang. Observatie (Grieken): sterren staan stil  eeuwig op zelfde positie  Aristoteles [“Over de Hemel”]: het heelal is eeuwig. Copernicus (1543): zon in midden i.p.v. aarde  Revolutionair, maar heelal nog steeds ‘eeuwig’ Hoe oud is het heelal?
  4. 4. Ussher – Engelse Bischop. Combineert genealogie Genesis met wat verder bekend  schepping was 4004 BC. [Om precies te zijn: 23 okt 4004 BC om 9 AM...] In die tijd: veel onderzoek – grotendeels concensus!: Kepler – 3993 BC Newton – 3998 BC  State-of-the-art science & evident overeenstemming, maar wat vertelt ons dat?!?  [Vgl Galilei: “en toch draait ze..!”] Bijbelse chronologie
  5. 5. Hoe oud is de aarde? Aarde is deel van universum Aarde is dichtbij – makkelijker te onderzoeken Universum tenminste zo oud als aarde  Leeftijd aarde geeft ondergrens voor leeftijd heelal.  Trigger voor ‘heel oud’ vooral via ontdekking aardlagen /fossielen
  6. 6. Hoe oud is de aarde? Radiometrische datering Radioactiviteit: kernen zijn instabiel als niet goede verhouding protonen/neutronen hebben. Vb: koolstof (C) en kalium (K): 12C – 6 protonen, 6 neutronen: stabiel 13C – 6 protonen, 7 neutronen: stabiel 14C – 6 protonen, 8 neutronen: instabiel – vormt 14N Halfwaardetijd: 1/2 = 5730 jaar Analoog: 40K  40Ar. 1/2 = 1.251 miljard jaar Ar = argon, een gas. Als materie stolt, komt Ar vast te zitten  uit 40Ar/40K volgt: hoe lang sinds stolling = ondergrens ouderdom aarde
  7. 7. Hoe oud is de aarde? Radiometrische datering Oudste rotsen (in miljard jaar): Novopavlovsk Complex, Oekraine – 3.64 Morton Gneiss – 3.68; Napier Complex, Antartica – 3.93 Acasta Gneiss, Canada – 4.031  0.003 Max: ca. 4.0 Maar: rotsen eroderen – alleen kleine, harde brokjes ook stabiel onder erosie. Bijv.: zirconium silicaten. Jack Hills, West Australië: 4.3 - 4.4
  8. 8. Hoe oud is ons zonnestelsel? Radiometrische datering Meteoren vallen op aarde  ook radiometrisch dateerbaar (ook mogelijk via ander, analoog radioactief verval) Stukjes maan (meegebracht met Apollo 15/16/17): ibidem  4.4 – 4.6 miljard jaar NB: vrijwel alle meteorieten/maan-samples die leeftijd  Materie in zonnestelsel startte met vast worden ca. 4.6 miljard jaar geleden  Ondergrens leeftijd zonnestelsel  Ondergrens leeftijd heelal: heelal  4.6 miljard jaar
  9. 9. Hoe kan de zon zo oud zijn? Onbekende energie leverancier Als bekend afstand zon ↔ aarde & hoeveelheid energie die aarde bereikt  energie die zon produceert Als bekend hoe groot de zon is  indicatie mogelijke energie- bronnen. Helmholtz (ca. 1850): als zon gemaakt van bijv. steenkool  genoeg energie voor ca. 1000 jaar. Echter: als energie uit zwaartekrachtpulsen: 20 – 40 miljoen jaar Kelvin: zelfs wel 500 miljoen jaar. [Analogie: sla met hamer op spijker – deel beweging, maar deel ook warmte (omzetting potentieële E in kinetische E).] Echter: als dit mechanisme is, dan krimpt zon met ca. 70 m/jaar; dat zouden we kunnen zien, maar gebeurt niet  ??
  10. 10. Hoe kan de zon zo oud zijn? Kernfusie Arthur Eddington (1926): uit E = mc2 volgt: beetje materie omzetten geeft héééél veel E  kernfusie Voorbeeld: 4 1H  1 4He Massa (x 10-24 g): 6.690  6.643 klein beetje massaverlies – levert veel energiewinst Als hele zon = 1H & alle 1H beschikbaar, dan zou zon ca. 100 miljard jaar kunnen schijnen. [Echter: beide aannames incorrect.]
  11. 11. Leeftijd van de zon? Kernfusie levert E  kinetische E  druk naar buiten & T Echter: gravitatie biedt tegendruk (naar binnen)  balans. Over (miljoenen) jaren: 1H beetje omgezet naar 4He  verandert interne druk, dus temp. Modellen: op basis van combinatie zon-massa & kleur van zon (technisch: spectrum) te schatten hoe ver zon is met omzetting. Komend vanaf koud gas dat samenbundelt: ca. 4.5 miljard jaar (als ouder, dan zon groter, heter & helderder; als jonger, dan kleiner, kouder & minder helder). Leeftijd (in 109 jaar): zon 4.5 aarde/zonnestelsel: 4.4 - 4.6  zonnestelsel ontstond toen zon begon te schijnen
  12. 12. Afstanden meten: parallax Als je beweegt, verschuiven dingen dichtbij sneller dan objecten ver weg  geschikt om afstand mee te meten! De parallaxhoek  is een maat voor hoe ver iets weg staat 
  13. 13. Afstanden meten In astronomie: maak gebruik van rotatie aarde om zon  2 meetpunten met lange basis  grote afstand nauwkeurig te bepalen Maar: niet makkelijk: voor sterren parallax typisch < 1 arcsec (= 1/3600°) Okt 1838: Bessel – 61Cygni:  = 0.314” Dec 1838: Henderson -  Centauri:  = 0.747”, etc. 1878: 17 sterren - 1908: 100 sterren - 1952: 5822 sterren E = earth; S = sun NS = nearby star EP = projected star DS = (much more) distant stars Figuur van: H. Hahn
  14. 14. Afstanden meten Parallax vanaf telescopen op aarde: ondergrens ~ 0.02”  afstand ster ~ 165 lichtjaar. In bol met die straal: ca. 100.000 sterren (weten we nu), maar meeste heel zwak -> parallax niet goed te meten Nieuwe stap: Hipparcos sateliet (1989):  120.000 sterren, 0.001” resolutie.  Nauwkeurige afstandsmetingen: paar duizend lichtjaar HIgh Precision PARallax COllecting Satellite; vgl: Hipparchus (190-120 BC) Grieks astronoom/wiskundige (maakte catalogus van 850 sterren) http://stars.chromeexperiments.com
  15. 15. Thermische of Zwarte lichaamstraling Objecten zenden licht uit in afhankelijkheid van hun T: Wet van Wien: maximum is indicator van T
  16. 16. Thermische of Zwarte lichaamstraling Objecten zenden licht uit in afhankelijkheid van hun T: Wet van Wien: maximum is indicator van T Wet van Stefan-Boltzmann: relatie hoeveelheid licht/opp ~ T4 Als T 2x , dan hoeveelheid licht 16x  Als opp 2x , dan hoeveelheid licht 2x   We meten spectrum – uit max volgt T; Uit afstand + gemeten intensiteit Volgt hoeveelheid uitgezonden licht.  Uit S-B: oppervlakte ster, dus diameter Samenvattend: max intensiteit & afstand geven hoe groot ster is
  17. 17. Niet alle sterren zijn hetzelfde: Hertzsprung-Russell diagram H-R: zet algemene intensiteit uit tegen T (≈ kleur ≈ ster-type) 4 groepen: 1) Hoofdreeks (~90%) 2) Rode Reuzen 3) Superreuzen 4) Witte dwergen Maakt gebruik van: kleur, intensiteit & afstand bepalen hoe groot ster is
  18. 18. Hoe klein is kan een ster zijn? Het vb van Sirius B – een rekensom 1842: Wiskundige/astronoom Bessel voorspelt bestaan van partner bij Sirius vanwege onregelmatige positie 1862: Sirius B waargenomen Sirius A: T = 9940 K, afstand 8.60 lichtjaar, L = 25.4 (x Lzon) Diameter (Sirius A) = 1.71 x Diameter (zon) = 2.38 miljoen km T(Sirius B) ≈ 25200 K  Sirius B is echt witheet  per m2 zendt Sirius B 41x zo veel licht uit] Ook: L(Sirius A) = 453 x L(Sirius B). Omdat: hoeveelheid licht/opp ~ T4  LA/453 = (2.54 TA)4 x opp  OppB = (1/453)/41.31 x OppA = 5.34 x10-5 OppA diameter Sirius B = 0.0073 x 2.38 ~ 17000 km; real: 12800 km vgl: diameter aarde = 12756 km  Sirius B is een echte dwerg-ster
  19. 19. Hoe zwaar is een ster? “Het gewicht bepaalt alles” Speciale rol voor dubbelsterren: Als bekend: - afstand tot aarde - tijd waarin ze rond draaien Dan (uit 3e wet van Newton): som van massa’s bekend. t2/r3 = 42/G(M+m) Voor eclipsed binaire systemen: uit Doppler effect ook individuele massa te behalen. Rond 1917: Russell – 117 dubbelster systemen met individuele massa’s bekend Resultaat: massa bepaalt plek op Hertzsprung-Russell diagram (voor hoofdreeks sterren; binnen ~1% blijkt dit te nog steeds te kloppen).
  20. 20. Hoe zwaar is een ster? “Het gewicht bepaalt alles” (II) Resultaat: massa bepaalt plek op Russel-Hertzsprung diagram (voor hoofdreeks sterren; binnen ~1% blijkt dit te nog steeds te kloppen). Dus: alle hoofdreeks sterren van bepaald spectraal type (= T) hebben dezelfde L (lichtkracht) Anders gezegd: als spectral type/T wordt gemeten (en daarmee absolute L bekend is) & relatieve magnitude (relatieve L), Dan is afstand bekend Ergo: als we het spectrum/T van hoofdreeksster weten, dan weten we daarmee ook hoe ver die staat.
  21. 21. De leef-tijd van een middelgrote ster Middel-grote ster: M = 0.5 – 9 x Mzon [Als M < 0.1 Mzon, dan niet dicht genoeg voor 4 1H  1 4He; Wel dicht genoeg voor 2 2H  1 4He, maar maar heel weinig 2H  weinig energie via kernfusie  bruine dwerg Als M > 9 Mzon, dan aparte levensloop: supernova/neutronenster.] Als 0.1 – 0.5 Mzon dan volledige convectie koude en warme delen  ster kan ‘alle’ 1H opbranden  kan 300 miljard jaar leven.] Middelgroot, bijv onze zon: speciaal, stabiel, en uiteindelijk een witte dwerg.
  22. 22. De leef-tijd van een middelgrote ster (II) Middel-grote ster: heel lang 4 1H  1 4He in kern van ster Dikke ‘ondoordringbare’ schil, waar geen fusie plaatsvindt & die niet ‘mengt’: door fusie T  druk naar buiten; door gravitatiekracht: druk naar binnen. Als door gravitatiekracht dichtere pakking  T  snelheid fusie   meer druk naar buiten  T Overall: evenwicht: constante T zolang voldoende 1H in kern van ster  hoofdreeks-ster. Als 1H in kern ‘op’ is, dan krimpt kern (door gravitatie)  T  4He kan fusie gaan geven  levert 12C & 16O. Veel meer E  meer warmte om af te voeren  ster zet uit, buitenkant koelt iets af  rode reus (niet meer hoofdreeks-ster) Inerte 1H schil Actieve kern
  23. 23. De leef-tijd van een middelgrote ster (III) Rode reus: groeit nog wat door, wordt dan instabiel: groter, kleiner, groter, kleiner  verliest typisch al zijn materiaal, op ca. 0.5 Mzon na  planetaire nevel : hete gasnevel, met daarin: witte dwerg
  24. 24. Geïsoleerde Witte Dwerg: inert, afkoelend Supercompact ‘balletje’ van 4He, 12C & 16O kernen, met ‘losse’ electronen (e–’s) (vgl. een metaal: daar alleen valentie- e–’s niet gebonden aan kern, in witte dwerg alle e–’s los) Witte dwerg: te koud voor verdere kernfusie; grootte wordt bepaald door degeneratieve druk van e–’s, niet door T witte dwerg heeft constante grootte, onafhankelijk van T Dus: als we weten hoe ver witte dwerg staat, als we zien hoe veel licht hij uitstraalt & hoe warm hij is, Dan weten we ook hoe warm hij zal zijn over 103 of 106 jaar. Maar ook: hoe lang het geleden is, dat hij warm genoeg was voor kernfusie.
  25. 25. Leeftijd Witte dwerg Aannames: heelal bestond 1-2 miljard jaar voor vorming ster & ster leeft 0.3-1.0 miljard jaar voor vorming witte dwerg Daarna: rustig afkoelen, langs curve Eerst helder & warm, Langzaam aan kouder. Als heelal oneindig oud, Dan ook witte dwergen met L  0 Echter....: die zijn er niet!
  26. 26. Leeftijd Witte dwerg  Leeftijd heelal (I) Bij bepaling intensiteit witte dwergen, 1000’en witte dwergen. Levert volgende plaatje: Veel witte dwergen van alle intensiteiten, Maar ‘plots’ stopt het: lichtzwakkere w.d.’en zijn er niet (en als ze er zouden zijn, zouden we ze tegenwoordig wel goed kunnen zien!!)  Er zijn geen w.d.’en voorbij dat maximum Uit intensiteit curve volgt: max 8.0 – 10 x 109 jaar afkoelend + (1-2) + (0.3-1.0) ≈ 9.3 – 13 x 109 jaar = leeftijd heelal HELDER ZWAK
  27. 27. Leeftijd Witte dwerg  Leeftijd heelal (III) Bij bepaling intensiteit witte dwergen, 1000’en witte dwergen. Levert volgende plaatje: Uit intensiteit curve volgt: max 8.0 – 10 x 109 jaar afkoelend + (1-2) + (0.3-1.0) ≈ 9.3 – 13 x 109 jaar = ondergrens leeftijd heelal Ook: geen witte dwergen > 15 miljard jaar = bovengrens leeftijd heelal
  28. 28. Open en bolvormige sterrenhopen Pleiaden; M47 M25 Open Clusters: groep van wat los gebonden sterren – uiteindelijk instabiel Bolvormige Clusters: groep van veel sterren – gravitationeel stabiel M80 47 Tuc Bolvormige kunnen heel oud worden, open clusters niet Voor heeeel oude dingen: kijk naar bolv. clusters!
  29. 29. Levenspad van een ster langs Hertzsprung-Russell diagram Positie van nieuwe zon-achtige ster in H-R diagram Beweging van die ster over H-R diagram (elk puntje is 10 miljoen jaar; in begin heeeel veel puntjes bijna op elkaar) Superreuzen Rode Reuzen Witte dwergen
  30. 30. Hertzsprung-Russell diagram van bolvormige sterrenhopen NGC6397; Caldwell 86 groen rood hoofdreeks witte dwergen reeks oudste w.d. ~ 11.5 x 109 j Bolvormige cluster: heeft zo veel sterren, dat betrouwbaar H-R diagram te maken is
  31. 31. Ontwikkeling van H-R diagram van bolvormige sterrenhoop Als bolvormige cluster ouder wordt: 1H in felle sterren raakt op  verlaten hoofdreeks Knik in H-R diagram. Plek van knik afhankelijk van leeftijd van cluster
  32. 32. H-R diagram van M55 (bolvormige sterrenhoop in Sagittarius) Als bolvormige cluster ouder wordt: 1H in felle sterren raakt op  verlaten hoofdreeks knik in H-R diagram. plek van knik afhankelijk van leeftijd van cluster: M55 ~ 12.3 x 109 jaar Ontdekt door: Nicolas Louis de Lacaille (16 Juni 1752) vanuit Z-Afrika 1754-1778: Messier probeerde M55 te zien (vanuit Parijs) – pas na 24 jaar gelukt 2008 - 10 aug 2015: vanuit Charente: Zuilhof lukt het ook 
  33. 33. Turnoff point H-R diagram bolvormige cluster Leeftijd globular clusters 47 Tuc M5 (NGC5904)
  34. 34. Turnoff point H-R diagram bolvormige cluster Leeftijd globular clusters 47 Tuc M5 (NGC5904) Simulaties 13,14,15 Gyr In beide gevallen: 12.7 - 13.9 Gyr In 2009: Hubble: 41 globular Clusters: 12.4 – 13.2 Gyr = 12.8  0.4 Gyr (niet ouder, niet jonger..) = ondergrens leeftijd heelal 12.0 Gyr
  35. 35. Hoe oud is de Melkweg? Via Samenstelling & Leeftijd globular clusters Leeftijd Melkweg = leeftijd bolv. terrenhoop + vormingstijd ingredienten bolv. Sterrenhoop Een speciaal plekje voor Beryllium: gewicht doet er toe  2 4He  1 8Be ; 1 8Be + 1 4He  1 12C Alleen 8Be wordt in hoofdreeksster gemaakt & vervalt snel Er bestaat geen 8Be in een ster In contrast: er is wel 9Be – alleen gevormd in supernova’s Kan alleen in bolv. cluster terecht komen als er eerst een ster ontstaat, die gaat supernova, produceert daarbij 9Be, en dat belandt in bolv. cluster. Schatting: kost ca. 200-300 106 jaar Dus: schatting leeftijd Melkweg: 13.2 + 0.3 = 13.5 109 jaar
  36. 36. Hoe groot is het heelal? Via Klassieke Cepheïden Variable Sterren (I) Licht – tijd curve: Karakteristieke puls Opnieuw: H-R diagram: Bovenin instabiele, pulserende sterren Diverse typen. Meest belangrijk: Klassieke Cepheïden
  37. 37. Hoe groot is het heelal? Via Klassieke Cepheïden Variable Sterren (II) Licht – tijd curve: Karakteristieke puls Leavitt onderzocht Cepheïden in Kleine Magellaanse Wolk – geen idee hoe ver, maar brain wave: ze staan wel allemaal ‘ongeveer’ even ver. Levitt’s ontdekking: pulstijd ~ gemeten helderheid. Als allemaal even ver: pulstijd ~ absolute helderheid Henrietta Swan Leavitt (1912) Als je van verre C. ster pulstijd meet, (en dus de abs helderheid weet) EN je meet helderheid  afstand bekend Waarom nuttig?: werkt voor veel grotere afstanden dan parallax
  38. 38. Hoe groot is het heelal? Supernova’s Type Ia (I) Chandrasekhar (1930) Als witte dwerg alleen  ‘rustig afkoelen’.... Als witte dwerg in dubbelster systeem: Witte dwerg ‘slurpt’ massa van de andere ster. NB: als witte dwerg zwaarder wordt  gravitatie   dichtheid   witte dwerg wordt kleiner.  Tot een limiet: Chandrasekhar limiet (ca. 1.4 zonmassa):  als massa w.d. > 1.4 massa(zon), dan ‘ineens’ weer kernfusie  gaat explosief snel – binnen paar jaar bijna ‘boem’; als temp > 700 miljoen K, dan ineens nieuwe fusiereacties  BOEM!!! (Supernova Type 1a) – fel licht, ook heel ver te zien  Waarom hier boeiend: ‘altijd’ hetzelfde = ‘standaardkaars’
  39. 39. Hoe groot is het heelal? Supernova’s Type Ia (II) Door afstand van Supernova 1a typen te meten in sterrenstelsels die ‘dichtbij’ staan (m.b.v. Cepheïden), kan uit intensiteit van Supernova 1a afstand tot verre sterrenstelsels worden bepaald Grote delen van het heelal kunnen in kaart worden gebracht
  40. 40. Het heelal dijdt uit Wet van Hubble Edmund Hubble: meet roodverschuiving van sterrenstelsels v = H0D : snelheid ~ afstand. Maar dan: als je weet hoe ver, en je weet snelheid, dan terugrekenen: hoe lang geleden was sterrenstelsel op onze plek = Hubble tijd = ‘leeftijd’ van het heelal 1958: Eerste redelijke schatting: 75 (km/s)/MegaParsec ~ (1[/tijd]) Sindsdien: talloze metingen, steeds nauwkeuriger Meest recent: 5 sept 2018 (!): 72.5 ± 2.3  (Hubble) = 1/H0 = 1 /(72.5/3.09 x 1019) = 4.262 x 1017 s = 13.5 ± 0.4 miljard jaar = leeftijd van het heelal
  41. 41. Samenvatting: Het heelal is 13.5 ± 0.5 miljard jaar oud 3 Onafhankelijke metingen van leeftijd van heelal (in miljard jaar) 1) Afkoeltijd witte dwergen: > 11-13 Absentie van extreem ‘koude’ w.d.: < 15 2) Turn-off points van bolvormige sterrenhopen: 13-14 3) Uitdijsnelheid van heelal: 13-14 [Nog 4e method: Power spectrum analyse van kosmische achtergrond straling 13.5 – 14] Dus: we weten: oud heelal, maar niet oneindig oud. Grote vraag met tegenwoordig een ‘precies’ antwoord 

×