Welkom Florine Meijer JCU Henny Lamers SIU Woudschotenconferentie

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 Meijer Junior College Utrecht (JCU) • Universiteit Utrecht en 26 partnerscholen • Bètaonderwijs 5/6 vwo: NLT, differentiatie, onderzoek Henny Lamers Sterrenkundig Instituut Utrecht

De module: onderwerpen Met dank aan wordle. net

De module: kern en keuze Kernhoofdstukken Keuzehoofdstukken 1 Meten aan sterren 2 Structuur van sterren 3 Levensloop van sterren A Scheikunde tussen de sterren B Compacte sterren C Supernova’s D Zwarte gaten Gebruik: - In de klas - Achtergrond bij praktische opdracht - Voorkennis in bijlage

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 Voorkennisbijlage van tevoren of tijdens kernhoofdstukken Kernhoofdstukken meer/minder diep grote lijn of details meer/minder opgaven Keuzehoofdstuk Compacte sterren is lastigste Keuzeonderwerp leerlingen 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… V 5 of V 6, 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 sterren Henny J. G. L. M. Lamers Sterrenkundig Instituut Universiteit Utrecht Tel: 030 -2535222 email: H. J. G. L. M. Lamers@uu. nl

1. De vorming van sterren

Een klein stukje sterrenhemel

De Pleiaden sterrenhoop honderden sterren

Sterrenhoop M 13 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 sterrenhoop uit 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

Bellen blazen in een stervormende wolk Eerste sterren in een stervormings nevel gaan gas in hun directe omgeving verhitten en ionizeren → expanderende hete gasbel

Gas-stof kolommen in Adelaar nevel materiaal voor honderden sterren Hubble Ruimte Telescoop Grootste kolom = 3 x 1 lj “Pillars of creation” Verdamping van gas en stof door nabije sterren

Samenstelling van gaswolken en van bijna alle sterren in ons melkwegstelsel afgeleid uit het spectrum Waterstof (H) Helium (He) 28 % Zuurstof (O) Koolstof (C) 0. 4 % Stikstof (N) Rest 70 % 1% 0. 1 % 0. 5 %

2. De levensloop van zon sterren

De zon Afstand: 150 000 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 (7 108), 100 km/dag, 4 miljoen jaar ! = 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 In lichte sterren T<18 MK In zware sterren T > 18 MK proton-proton keten CNO cyclus Netto: 4 H + 2 e → He-kern

Energie produktie door H fusie 4 1 H → 4 He + 2 e+ + 2γ + 2ν 2 e+ + 2 e- → 2γ • 4 protonen : 4 x 1. 00727 = 4. 0291 a. m. u • 2 electronen: 2 x 0. 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 c 2

Opgave: bereken de maximale levensduur van de zon door H-fusie Levensduur = Energie voorraad/Energie verbruik • Massa van de zon • 70% is waterstof • 12% van de massa zit in de kern (fusie) = 2. 0 10 30 kg • 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 Massa (in Mzon) 1 3 5 20 60 0. 8 Helderheid (in Lzon) 1 70 450 40 000 500 0. 5 met L ~M 3. 8 Levensduur (jr) geschat

De evolutie van de zon (en sterren) Strijd tussen 1. zwaartekracht → krimpen 2. gasdruk (en stralingsdruk) → uitzetten Zolang er fusie is kan de ster in evenwicht blijven Zon nu: H →He fusie in het centrum

Belangrijkste fusie reakties in sterren grondstof Waterstof Helium Koolstof +He Zuurstof Silicium produkt T reactie → Helium 107 4 H→ He 4 → Koolstof 108 3 He 4→ C 12 → Zuurstof 2 108 C 12 + He 4 → O 16 → Silicium 109 2 O 16 → Si 28 + He 4 → IJzer 2 109 2 Si 28 → 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 aarde

300 miljoen jaar later : rode superreus Straal van zon is dan 200 a 300 maal huidige straal Misschien wordt de aarde dan opgeslokt door de zon !

Rode superreus : R ~ 300 Rzon ster met kern van helium en koolstof C-pit met He-schil eromheen detail tekening van centrum Officiele naam : ster op asymptotische reuzen tak (AGB)

Rode superreuzen “pulseren” helderheid Uitzetten en inkrimpen op tijdschaal van maanden tot jaren Hierbij worden steeds buitenlagen afgestoten (v ~ 20 km/s) Totdat, na ca 100 000 jaar alleen de “pit” van de ster overblijft !

3. Het einde van sterren

Planetaire nevels : de “laatste ademstoot” van lichte sterren (M<6 Mzon) Diameter : 1 lichtjaar Snelheid: 20 a 50 km/s Samenstelling: voornamelijk H-gas verrijkt met He en C Ster in centrum: Witte dwerg = “pit” van de ster

kattenoog nevel uitgestoten gaslagen rondom een witte dwerg foto 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

Supernova Implosie van de kern en explosie van de buitenlagen (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. (c) Het binnendeel wordt samengedrukt zodat er neutronen gevormd worden (d) Het invallende gas botst op de “harde” neutronen ster (M~ 2 Mzon) (e) Er ontstaat een schokgolf (f) Dit schokfront is zo sterk dat de buitenlagen worden weggeblazen (g) = supernova –explosie met snelheid van 15 000 km/s Uiteindelijk blijft er slechts een neutronster over, of een zwart gat.

23 febr 1987: Supernova 1987 A een 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 snelheid 2000 km/s

Wij zijn gemaakt van sterrenstof !

Wilt U deze powerpoint presentatie ontvangen, email naar lamers@astro. uu. nl Sterrenkunde les door een astronoom? lamers@astro. uu. nl of wijburg@astro. uu. nl Foto’s van Hubble Space Telescope te vinden op http: //heritage. stsci. edu 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

Dank De schrijvers van de module De leerlingen van het JCU De docenten en leerlingen die de module hebben uitgeprobeerd U voor uw belangstelling