Hand-out van de lezing over het ontstaan van de eerste sterren die Prof. Henny J.G.L.M. Lamers op 26 januari 2014 in Putten heeft gegeven. http://astraalteria.nl/blog/?p=151&page=4

1. 1
Het raadsel van
de eerste sterren
Prof. Henny J.G.L.M. Lamers
Sterrenkundig Instituut
Universiteit van Amsterdam
h.j.g.l.m.lamers@uu.nl
www.hennylamers.nl
1
Putten , 26 januari 2015
Een stukje sterrenhemel:
miljoenen sterren
Stukje van de Zuidelijke Sterrenhemel
2
Een stukje sterrenhemel:
miljoenen sterren
Stukje van de Zuidelijke SterrenhemelDe Melkweg op het Zuidelijk Halfrond
3
()
Groothoek opname van de hemel
4
Het Andromeda sterrenstelsel lijkt veel op
onze Melkweg
Afstand 2 miljoen lichtjaar, diameter 100 000 lichtjaa
Wij zijn hier
5
Een zwerm van melkwegstelsels
Abell 1689
Afstand :
2,5 miljard
lichtjaar
Diameter :
2 miljoen
lichtjaar
Duizenden
melkweg-
stelsels op
een kluit
6

2. 2
Hubble Ultra Deep Field
de verste opname ooit gemaakt
Oppervlak :
0.1 x volle maan
Aantal
melkwegstelsels
ca 10 000
Verste objecten :
~11 miljard lichtjaar
Het heelal is doorzichtig: ! 7
Kleuren foto in het vroege heelal
bijv ~100 000 jaar na oerknal
8
UV- mist!!
Kleuren foto in het vroege heelal
bijv ~100 000 jaar na oerknal
Electronen waren vrij = los van H-atomen
Vrije electronen verstrooiien het licht 9
UV- mist!!
De geschiedenis van het heelal
10
De stralings geschiedenis van het heelal
= de geschiedenis van waterstof
1. Na oerknal: heet Heelal = Ondoorzichtig = mistig
doordat vrije electronen licht verstrooiien.
de electronen zijn vrij als T > 3000 C
H is geioniseerd
2. Het heelal zet uit en koelt af
Als T < 3000 C dan worden electronen gevangen
door protonen (H wordt neutraal)
Geen vrije electronen meer die licht verstrooiien:
Het heelal wordt doorzichtig.
11
Toen de mist optrok zag het heelal er zo uit !
kosmische achtergrond straling
Ontdekt bij toeval
in 1960 door Penzias en Wilson
12
mm-straling

3. 3
Baby-foto van het heelal: 380 000 jaar na oerknal toen de mist was
opgetrokken.
Verschillen tussen de helderste (heetste) plekken en de koudste
(zwakste) plekken is slechts 0,001 %.
Toen de mist optrok zag het heelal er zo uit !
WMAP satelliet 2001 = kosmische achtergrond straling
13
De kosmische achtergrond straling
ontstond toen de “mist” in het heelal
optrok, 380 000 jaar oerknal
14
De stralings geschiedenis van het heelal
= de geschiedenis van waterstof
1. Na oerknal: heet Heelal = Ondoorzichtig = mistig
doordat vrije electronen licht verstrooiien.
de electronen zijn vrij als T > 3000 C
H is geioniseerd
2. Het heelal zet uit en koelt af
Als T < 3000 K dan worden electronen gevangen
door protonen (H wordt neutraal)
Geen vrije electronen meer die licht verstrooiien:
Het heelal wordt doorzichtig.
15
Maar:neutraal waterstof absorbeert UV licht, dus
voor UV straling blijft het ondoorzichtig!
De doorzichtigheid van het heelal:
Het absorptie
spectrum van
neutraal H
Als het gas in het heelal, in melkwegstelsels
en in ruimte tussen de melkwegstelsels,
neutraal was, dan zou het heelal
ondoorzichtig zijn voor UV straling
16
17
Toch kunnen we melkwegstelsels zien tot
op grote afstand (miljarden lichtjaar)
Het zichtbare licht dat we
van de verste stelsels zien is
uitgezonden als UV straling.
Dus het heelal is toch
doorzichtig voor UV
straling!
Er moet dus iets zijn
geweest dat H weer
ioniseerde.
Straling van de eerste
sterren !!
11.0 11.4 11.4 11.6 11.7
De stralings geschiedenis van het heelal
= de geschiedenis van waterstof
1. Ondoorzichtig = mistig
doordat vrije electronen licht verstrooiien
de electronen zijn vrij als T > 4500 C
H is geioniseerd
2. Het heelal wordt doorzichtig.
doordat electronen worden gevangen door protonen
als T < 4500 C
H is neutraal
Maar: voor UV straling blijft het ondoorzichtig!!
door absorptie t.g.v. neutraal H
3. Het heelal wordt doorzichtig voor UV
dus electronen zijn weer vrij; re-ionisatie van H
wanneer en hoe ??? 18

4. 4
Het einde van de donkere periode :
= de eerste sterren?
= tijdstip van de re-ionisatie
380000 jaar: achtergrond straling (H-neutraal)
??? jaar : eerste sterren (H-geioniseerd)
19
13,8 Gjr
Vragen.
Wanneer en hoe ontstonden de
eerste sterren ?
Waren dat normale sterren ?
Wat was hun invloed op het heelal?
Kunnen we ze nog zien?
20
Rood=gebieden waar sterren geboren worden
Sterren ontstaan in Melkwegstelsels
M74
Afstand
30 Mlj
21
Hoe ontstaan van sterren ?
Sterren ontstaan uit gaswolken
Cocoon Nevel
Afstand=
3300 lj
Diameter=
45 lj
Massa =
10000 x zon
22
Ontstaan van sterren uit gaswolken
Gasdruk
~ T ρ
Zwaartekracht
~M/ R 2
Sterren ontstaan uit gaswolken als de zwaartekracht het
wint van de gas-druk.
Dit hangt dus af van massa en temperatuur van wolk.
Koude zware wolken maken gemakkelijkst
sterren
23
Criterium voor
samentrekking van
gaswolken
Sir James
Jeans
1877 - 1946
Mwolk > Mjeans
Mjeans = Constante T 3/2 ρ -1/2
Hoe heter een wolk, des te groter
de Jeans massa
Uit heet gas kunnen alleen zware
sterren worden geboren !!! 24

5. 5
Tegenwoordig zijn de gaswolken
waaruit sterren ontstaan koud
20 K = -250 C
Koeling door uitstraling van energie :
Moleculen : voornamelijk CO
(micrometer straling)
Stof korrels
( infrarood straling)
25
De geboorte van sterren uit
gaswolken
Samentrekking
van een zware
wolk
Fragmenteren
van
samentrekkende
wolk
Fragmenten
trekken samen:
sterren
Sterren in jonge
Sterrenhoop
26
de vorming van een sterhoop
Mark Krumholtz27
De vorming van sterren en
melkwegstelsels in het vroege heelal
1. Het gas in het heelal was vroeger heet en
koelde af door de uitdijing van het heelal.
2. Dus de Jeans massa was eerst hoog
3. Dus de eerste strukturen waren
zwaar!!
= proto-melkweg stelsels !
van 1000 a 100 000 zonsmassa
28
Een proto-melkwegstelsel ?
Subaru telescoop
Afstand
12.9 Glj
29
Maar ze leefden heel kort !! ~1 miljoen jaar
Hoe zit het met de eerste sterren ?
Eerste gaswolken konden niet goed koelen
(geen CO moleculen, wel H2 moleculen )
Eerste sterren waren dus zwaar : 1000 x zon ?
en heel helder: 1000 000 x zon ?
Eerste sterren ontstonden in proto-melkwegstelsels
Dus als we ze willen zien, dan moeten we ver in
het verleden kijken = ver weg = heel zwak
30

6. 6
De straling van het gas van de oerknal
gemeten door de WMAP satelliet (2001)
Baby-foto van het heelal: 380 000 jaar na oerknal
afwijkingen minder dan 0.001 % !
31
Struktuur vorming in heelal
Millenium simulatie: Volker Springel, 1999
32
33
De vorming van de eerste sterren
34Mark Krumholtz
The formation of the first stars
and reionization of the Universe
Volker Bromm35
De eerste (zware !) sterren
ontsteken in het heelal
Artist impression36

7. 7
Ionisatie bellen van hete sterren
37
De geschiedenis van het heelal
38
Sterhoop M13 : 11,7 miljard jaar
39
Het spectrum van een quasar
40
Spectra van quasars tot 3 Glj afstand
Verschuiving naar langere
golflengte door het Doppler
effect
41
Relatie tussen Z, afstand ,
leeftijd
Leeftijd na oerknal: t = 13.8 / (z+1) Gjr
Afstand tot ons: d = 13.8 (z/z+1) G ljr
Roodverschuiving: z= ( λobs/ λ rust) -1
42

8. 8
Het spectrum van een quasar
op grote afstand
(Z=3.2)
43
Afstand = 10,5 miljard lj
Nog verder weg: 11.9 Glj
Quasar J2329-0301 (Z=6.4)
Helemaal geen flux bij korte golflengte !!
straling ge-absorbeerd door neutraal H
44
Het einde van de donkere periode :
= de eerste sterren?
= tijdstip van de re-ionisatie
380000 jaar: achtergrond straling (H-neutraal)
??? jaar : eerste sterren (H-geioniseerd)
45
Zoeken naar de oudste
sterren in ons melkwegstelsel
“Metaal -arm“ =
weinig van alles zwaarder
dan H en He
46
de halo van onze Melkweg
47
Objectief prisma opnamen
Hamburg/
ESO survey
Christlieb
48

9. 9
Hoe vind je metaal-arme sterren ?
Lage resolutie
(object prisma)
Tussen resolutie
Hoge resolutie
3 stappen
Blauw = normale ster
Rood = metaal arme ster
49
meest metaal-arme ster : HE 0107-5420
0.000004 x zon
0.00006 x zon
1 x zon
50
de meest metaal-arme ster : HE 0107
0.000004 x zon
0.00006 x zon
1 x zon
Deze ster ren hebben “metalen : bijv C en Mg
dus het zijn
geen eerste generatie sterren !!
51
Twee verklaringen voor
chemische samenstelling van meest
metaal arme sterren
52
Verrijking door supernovae?
53
Verrijking door supernovae?
Verrijking door SN van 25 Mzon !
54

10. 10
Conclusies en vragen ?
1. Wanneer ontstonden de eerste sterren?
Volgens de theorie na ca 400 Mjr.
2. Die eerste sterren waren zwaar
(100 a 1000 x zon)
3. Hun straling ioniseerde H in het heelal,
waardoor het ook in het UV doorzichtig werd.
4. Re-ionisatie was compleet op Z ~6,
dat is na 1/7 van Oerknal tijd = 2 miljard jaar!
55
Conclusies
5. Eerste sterren van ~1000 Mzon leefden heel
kort ~miljoen jaar : moeilijk waar te nemen
6. De oudste sterren in ons MW stelsel
zitten in de halo en zijn geen eerste generatie
sterren maar wel heel vroege generatie:
want ze hebben zeer weinig elementen
zwaarder dan H en He
7. Ze zijn verrijkt met gas van supernova van
25 zons massa. Dat is ook geen eerste generatie.
56
THE END
Dank U voor Uw
aandacht !
57
h.j.g.l.m.lamers@uu.nl www.hennylamers.nl
Astroboekjes
De Mens tussen de sterren: wij zijn gemaakt van
sterrenstof
Over het ontstaan en leven en dood van de sterren, en hoe de mens een gevolg
daarvan is.
Hallo is daar iemand: speuren naar leven in het heelal:
Over het ontstaan van leven op aarde, de kans dat er elders in het heelal leven is,
en de zoektocht daarnaar
De oerknal en het uitdijend heelal: op zoek naar de
oorsprong:
Over het ontstaan van het heelal, het uitdijende heelal en hoe we daar achter
gekomen zijn
Het draait allemaal om de zon: ontstaan, bouw, en
toekomst van ons planetenstelsel.
Hoe het komt dat er rotsplaneten en gasreuzen zijn, waarom zijn alle manen
verschillend, waar komen kometen vandaan, hoe ontstonden plantoïden?
Astroboekjes
Deel 1: De Mens tussen de sterren: wij zijn gemaakt van
sterrenstof (12 druk)
Deel 2: Hallo is daar iemand: speuren naar leven in het
heelal (10e druk)
Deel 3: De oerknal en het uitdijend heelal: op zoek naar
de oorsprong (8e druk)
Deel 4: Het draait allemaal om de zon: ontstaan bouw en
evolutie van het planetenstelsel (1e druk)
Te bestellen door overmaking van €7.50 per boekje
op rekening NL37 INGB0000630339 tnv H.J. Lamers,
Bilthoven, o.v.v. de titel (s) van het/de boekje(s),
plus een email bericht naar
h.j.g.l.m.lamers@uu.nl met het bestemmings-adres.
De geschiedenis van het heelal
60