Isaac-aardrijkskunde 5 D wetenschappen - Module 1

Wat zien we aan de hemel?

Welke objecten ken je allemaal in de ruimte? Dit kunnen sterren zijn, kometen, planeten, maar ook ruimtetuigen zoals het ISS of de allernieuwste James Webb telescoop. Probeer ze op de juiste plaats in de grafiek te plaatsen.

1 De aarde in het heelal

afstand tot de aarde

Met het oog op de grote uitdagingen waar we voor staan in de 21e eeuw, willen we zo nauwkeurig mogelijk weten hoe het systeem aarde werkt. Pas dan kunnen we beginnen na te denken over goede oplossingen voor de huidige problemen. Om te weten waar je heen moet, is het vaak ook nuttig om te weten vanwaar je komt. Daarom beginnen we deze module met een terugblik in de tijd. Héél erg ver terug in de tijd, of beter: toen het begrip ‘tijd’ ontstond.

grootte van het object

1.1 Toen alles begon

13,8 miljard jaar geleden ontstond het universum uit een singulariteit: een oneindig klein punt met een oneindig grote dichtheid en een zeer hoge temperatuur. De omstandigheden in de singulariteit zijn bijna niet te bevatten, want de huidige wetten in de fysica gelden hier zelfs niet.

Er ontstaat een plotse, gigantische uitzetting (inflatie) van het universum (met een factor 1050 in slechts 10-32 seconden! Dat is een pak sneller dan de snelheid van het licht!).

Tijdens de oerknal ontstaan ruimte en tijd uit deze singulariteit. Zodra het pasgeboren universum groter wordt, zal het ook beginnen af te koelen. Deze snelle uitzetting wordt vaak vergeleken met een explosie of een knal. Vandaar de naam ‘oerknal’. Wanneer het universum genoeg is afgekoeld, zal zwaartekracht ontstaan. Kort daarna ontstaat materie en antimaterie. Heel bijzonder is dat er net iets meer materie is dan antimaterie (een overschot 1 op 1 miljard). Uit dit kleine overschot zullen later alle planeten, sterren en zelfs jij en ik ontstaan. Waarom dit zo gebeurt, is nog altijd een van de grootste raadsels in de theoretische fysica.

De uitzetting en afkoeling van het universum blijven aanhouden, alleen verloopt het proces minder snel. Hierdoor ontstaan de eerste eenvoudige atoomkernen zoals H, He en Li, gevormd uit een beperkt aantal protonen en neutronen. Voor volwaardige atomen is het nog te warm. Er zijn te veel botsingen en er is te veel energie, waardoor het universum eruit ziet als een ondoorzichtige oersoep.

D

A

B

A

B

C

D E F

Eindelijk wordt het koud genoeg zodat de eerste atomen kunnen ontstaan én blijven bestaan. Energie in de vorm van straling kan nu rechtdoor gaan en botst niet meer om de haverklap. Deze straling kennen we nu als de kosmische achtergrondstraling dat een beeld vormt van het universum toen het 300 000 jaar oud was. Let wel, er is nog geen zichtbaar licht, waardoor het universum een heel donkere plaats is.

De massa van de gaswolk waaruit een ster ontstaat, bepaalt welk type ster het wordt en hoe die aan haar einde zal komen. Grote sterren ondergaan een supernova en heel erg grote sterren vormen uiteindelijk zelfs een zwart gat. Als een ster een supernova ondergaat, ontstaan naast H en He een hele reeks nieuwe atomen, waaronder metalen zoals Fe, maar ook niet-metalen zoals C en O. Deze nieuwe atomen worden in elke richting geslingerd, waarna ze door de zwaartekracht uiteindelijk weer samenkomen om nieuwe sterren, planeten en zelfs organismen (zoals jij en ik) te maken. Meer hierover lees je verder.

2,73 K

Nu 1 miljard jaar

Door toeval ontstaan minieme verschillen in dichtheid in het steeds groter en kouder wordende universum. Onder invloed van zwaartekracht zullen plaatsen met een grotere dichtheid meer materiaal beginnen te verzamelen in een kleiner volume. Daardoor ontstaan gaswolken. Deze bestaan hoofdzakelijk uit H en He en evolueren vervolgens tot de eerste sterren en sterrenstelsels Vanaf nu is er licht in het universum!

Het universum nu is een vrij ordelijke plaats. Materie in de vorm van gaswolken, planeten en sterren hebben zich geordend in structuren als sterrenstelsels. Deze bevinden zich op hun beurt in een cluster. Verschillende clusters bevinden zich in een van de grootste structuren van het universum: een supercluster. Later leer je hier meer over.

© NASA / WMAP SCIENCE TEAM

G H

Wat een onvoorstelbaar verhaal, die oerknal- of bigbangtheorie over het ontstaan van het universum! Deze uitleg is weliswaar het verhaal in een notendop. Het is dan ook logisch – als je er even op doordenkt – dat er heel wat vragen bij je opkomen.

Hieronder vind je enkele veelgestelde vragen. Kan je het antwoord vinden?

• Wat was er dan vóór de oerknal?

• Was de oerknal een ontploffing?

• Waar vond de oerknal plaats?

• Misschien heb je zelf nog een vraag? Noteer die dan hieronder. (Let wel: vragen over hoe we dit allemaal weten en hoe de toekomst van het universum eruit ziet worden op het einde van deze module beantwoord.)

WIST-JE-DAT

De oerknal- of bigbangtheorie werd bedacht door Georges Lemaître, een Belgisch kosmoloog die eigenlijk een katholieke priester was! Hij baseerde zijn idee op (o.a.) de waarneming dat sterren zich steeds verder weg van elkaar bewegen. Ook het eerdere werk van andere wetenschappers uit die tijd vormde een inspiratie voor Lemaître. Bepalend voor zijn idee was onder andere het werk van Albert Einstein die de speciale en de algemene relativiteitstheorie had beschreven. Het werk van beide heren behoort tot de theoretische fysica. Aan de hand van wiskundige vergelijkingen maakten ze voorspellingen. Pas later werden aanwijzingen en bewijzen gevonden voor hun vergelijkingen, aan de hand van experimentele gegevens. Op heden zijn er bijzonder veel aanwijzingen dat de oerknaltheorie het ontstaan van het universum verklaart, maar toch is het nog niet onomstotelijk bewezen. Daarom heet het nog steeds de oerknaltheorie.

© « GEORGES LEMAÎTRE ET ALBERT EINSTEIN », 1933, ARCHIVES DE L'UNIVERSITÉ CATHOLIQUE DE LOUVAIN | ARCHIVES GEORGES LEMAÎTRE, BE A4006 FG LEM-621.

1.2 Twee zwaargewichten: Newton vs. Einstein

Er zijn vier fundamentele krachten in het heelal. Voor deze module is één daarvan bepalend voor zowat elke gebeurtenis. Of het nu gaat over je smartphone die uit je hand valt, de beweging van de planeten rond een ster, de grootte van een ster, het ontstaan van het zonnestelsel of van het universum: deze kracht speelt overal een rol. Ook nu, op dit moment, heeft die kracht een invloed op je. We hebben het natuurlijk over zwaartekracht

In het derde jaar fysica leerde je al over Isaac Newton en zijn gravitatiewet. De zwaartekracht werd toen beschreven als: F = m . g. Met andere woorden: alles wat een massa heeft, oefent een zwaartekracht uit. Hoe groter de massa, hoe meer zwaartekracht er kan worden uitgeoefend.

#–Fz = m g

Dankzij het werk van Isaac Newton kon eindelijk de beweging van de maan rond de aarde verklaard worden. Beide hebben een massa en beide trekken elkaar dus aan. Nét genoeg om de centrifugale kracht als gevolg van hun bewegingen te overwinnen, waardoor de maan in een stabiele baan rond onze planeet blijft.

Wat zwaartekracht nu eigenlijk echt is, liet Newton over aan de fantasie van zijn lezers, want hijzelf wist het antwoord op die vraag niet. Tot enkele eeuwen later een genie, genaamd Albert Einstein, zich over deze vraag boog. Na heel wat theoretisch denkwerk, waar geen enkel experiment aan te pas kwam, besloot Einstein het volgende: zwaartekracht is geen kracht, maar een ombuiging van de ruimtetijd. Hoe groter de massa van een object, hoe sterker de ombuiging van de ruimtetijd. Objecten in de buurt van die ombuiging zijn dus verplicht om de krommingen in de ruimtetijd te volgen.

De ruimtetijd is een manier om de driedimensionale ruimte (lengte, breedte, hoogte) én de tijd als één vierdimensionaal geheel te zien.

1.3 Hoe ver is het nog?

Het zal je zo dadelijk snel duidelijk worden: de afstanden in de ruimte zijn zo groot, dat het gebruik van een afstandsmaat als de kilometer moeilijk bruikbaar is. Daarom vermelden we nu al dat er drie vaak gebruikte alternatieven bestaan.

• Voor korte afstanden (binnen ons zonnestelsel) maakt men gebruik van de Astronomische Eenheid, afgekort AE. Dit is de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon en bedraagt afgerond 150 miljoen kilometer.

• Voor gemiddelde afstanden maakt men gebruik van lichtjaar. Dit is de afstand die het licht aflegt als het één jaar lang door het heelal reist. Lichtjaar is dus geen tijd, maar een afstand! Na een jaar reizen aan de lichtsnelheid (300 000 km/s) is de lichtstraal dus 9,46 1012 km ver geraakt. Om de afstand tussen objecten in onze Melkweg uit te drukken gebruikt men vaak deze afstandsmaat.

Zo heeft de Melkweg de volgende afmetingen:

• Voor de grootste afstanden maakt men gebruik van parsec (pc). Dit is de afstand tussen de zon en een object in de ruimte, waarbij de afstand tussen de aarde en de zon te zien is als 1 boogseconde. Omgerekend komt 1 parsec overeen met 3,261 lichtjaar.

Afstanden in onze cluster (de Lokale Groep), of zelfs verder, komen overeen met duizenden, miljoenen of zelfs miljarden parsecs. Daarom maakt men respectievelijk gebruik van kiloparsec (kpc), megaparsec (Mpc) en gigaparsec (Gpc). De rand van het waarneembare universum bevindt zich op 15 Gpc.

Er wordt wel eens beweerd dat sterrenkundigen in het verleden kijken. Wat bedoelt men daarmee?

In deze zinnen staan alle afstanden in kilometer. Dat is echter niet werkbaar binnen het heelal. Welke afstandsmaat is veel logischer? Je hoeft de werkelijke getalwaarde niet op te zoeken.

Jupiter bevindt zich gemiddeld op 778 500 000 km van de zon. In september 2010 bevond ze zich vrij ‘dicht’ bij de aarde, op een afstand van 592 000 000 km

De grote Magelhaense Wolk is een dwergsterrenstelsel binnen de Lokale Groep en staat op 1 485 334 684 195 060 000 km (1,485 · 1018 km) van ons.

De Poolster staat op een afstand van zowat 3 058 810 000 000 000 km van de aarde.

Op zijn verste punt is Pluto zo’n 7 381 000 000 km van de zon verwijderd.

De meeste nabije ster bij onze zon is Proxima Centauri. Deze ster is niet met het blote oog te zien en bevindt zich op een afstand van ca. 40 236 000 000 000 km.

1.4 Orde in de chaos

Op ruimtereizen aan de snelheid van het licht zullen we nog even moeten wachten. Wat we in de tussentijd wel al kunnen doen, is verschillende soorten straling vanuit het universum onderzoeken om meer te weten te komen. Op basis van enkele eeuwen aan onderzoek zijn we te weten gekomen dat er heel wat structuren bestaan. Volg hieronder even mee.

het kosmisch web

Laniakea

Onder invloed van de zwaartekracht is het universum zich in de afgelopen miljarden jaren beginnen te vormen tot het kosmisch web, een ruimte vol holtes en filamenten. In de holtes komt er nagenoeg niets voor, althans geen sterren of sterrenstelsels. Die laatste zijn allemaal gegroepeerd in enorme grote structuren die men filamenten noemt. Het kosmisch web kun je wat vergelijken met de structuur van een spons.

In filamenten zitten superclusters Dit zijn verzamelingen van miljarden verschillende sterrenstelsels. Door de beweging van de sterrenstelsels met elkaar te vergelijken, kan men verschillende superclusters onderscheiden. Zo blijken de meeste sterrenstelsels in onze supercluster, genaamd Laniakea, onder invloed van de zwaartekracht te bewegen naar één centrale plaats. In veel oudere handboeken zal je vinden dat wij ons in de Virgo supercluster bevinden. Recent onderzoek heeft aangetoond dat Virgo een klein onderdeel is van het veel grotere Laniakea.

© MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR ASTROPHYSIK © SCIENCEPHOTOLIBRARY

WIST-JE-DAT

We kunnen (nog) geen ruimtetuig de ruimte in sturen die een foto kan maken van het zichtbare heelal. Zo kun je bijvoorbeeld ook geen foto nemen van de buitenkant van je huis, als je je erin bevindt. De afbeeldingen van het heelal zijn dan ook simulaties of illustraties die we zo waarheidsgetrouw mogelijk proberen weer te geven. In het Max Planck instituut probeert men het universum na te bootsen in zijn evolutie over een periode van 13,8 miljard jaar. Het eindresultaat vergelijkt men dan met wat we vandaag kunnen waarnemen. Het doel: de simulatie steeds beter de waarneming laten benaderen.

Sterrenstelsels kunnen onderling ook kleinere structuren vormen, onder invloed van de zwaartekracht. Deze structuren heten clusters. De cluster waartoe wij behoren, heet de Lokale Groep. De Melkweg bevindt zich in het midden van de Lokale Groep, met als naaste buren andere sterrenstelsels, zoals Andromeda.

Ons sterrenstelsel, de Melkweg, bevat minstens 100 miljard sterren en nog eens ongeveer 100 miljard planeten! Wat opvalt, is dat de meeste van deze sterren en planeten zich in een schijf bevinden die 100 000 lichtjaar groot is en 1000 lichtjaar dik. De Melkweg ontstond vrij snel na de Big Bang en is al 13,6 miljard jaar oud. Sterren ontstonden, groeiden, stierven en gaven aanleiding tot witte dwergen, zwarte gaten en via supernova’s ook tot de geboorte van nieuwe sterren. Eén van die nieuwe sterren is onze zon. Rond die ster van slechts 4,6 miljard jaar oud, draaien een aantal planeten, waaronder de aarde. Samen vormen ze het zonnestelsel.

de Lokale Groep de Melkweg

ons zonnestelsel

HET ZICHTBARE HEELAL = talloze superclusters met leegtes ertussen

groep van verschillende clusters

=

waarvan één

groep van verschillende sterrenstelsels

= miljoenen lichtjaren uit elkaar

elke groep bestaat uit

sterrenstelsels

honderdduizenden lichtjaren uit elkaar

waarvan één

met ongeveer 20 tot 30 sterrenstelsels

behoort tot

waarvan één

met miljoenen sterren, nevels en stof

elk sterrenstelsel bestaat uit

planetenstelsels

1 ster + haar planeten

sterren enkele lichtjaren uit elkaar

algemene benaming van de structuren in het heelal

waarvan één

behoort tot

met de zon en 8 planeten

behoort tot

specifieke benaming voor onze locatie in het heelal

1.5 Op ontdekking in de Melkweg

Al eeuwenlang kijken mensen omhoog naar de hemel en vragen zich af wat zich daar allemaal afspeelt. Eén van de meest verbazingwekkende observaties is die van de Melkweg. Toen astronomen ontdekten dat dit een verzameling was van miljarden sterren en planeten – en dat er overigens nog meer van die sterrenstelsels in het universum zijn – werd de menselijke nieuwsgierigheid alleen maar groter.

Astronomen hebben ondertussen alle sterrenstelsels die ze hebben onderzocht kunnen indelen in een aantal categorieën, op basis van vorm. Men onderscheidt elliptische stelsels, spiraalstelsels, balkspiraalstelsels en onregelmatige stelsels. De voorbeelden hieronder zijn sterrenstelsels die zich allemaal in onze cluster, de Lokale Groep, bevinden.

NGC 185: elliptisch stelsel

Driehoeknevel: spiraalstelsel

Andromeda: balkspiraalstelsel

©ESO/Y. BELETSKY - CC-SA 4.0

IC 10: onregelmatig stelsel

elliptische stelsels balkspiraalstelsels spiraalstelsels onregelmatige stelsels

© NASA, ESA, AND A. FERGUSON (UNIVERSITY OF EDINBURGH, INSTITUTE FOR ASTRONOMY)

Ga naar de link via de QR-code en beantwoord de volgende vragen.

• Tot welk type sterrenstelsel behoort de Melkweg?

• Is elke ster die je ’s nachts aan de hemel ziet een enkele ster?

WIST-JE-DAT

Hoewel experimentele gegevens aantoonden dat de meeste objecten in de ruimte zich steeds verder van elkaar bewegen, is het nog steeds perfect mogelijk dat hemellichamen naar elkaar toe bewegen. Zo wordt met grote zekerheid voorspeld dat het Andromeda sterrenstelsel en onze Melkweg binnen 4,5 miljard jaar zullen samenkomen. De twee sterrenstelsels zouden daarbij versmelten tot een reusachtig elliptisch sterrenstelsel. Via de QR-code op deze pagina kun je hier een simulatie van bekijken. Het Antennestelsel op de afbeelding rechts, is een voorbeeld van twee stelsels die nu met elkaar botsen!

© ESA/HUBBLE & NASA - CC-SA 4.0

de Lokale Groep

balkspiraal- en spiraalstelsels elliptische stelsels onregelmatige stelsels

Galaxy Triangulum Galaxy Andromeda II, III en I

I Canes Dwarf

Dwarf

Cetus Dwarf Tucana Dwarf

Een spiraalstelsel en een balkspiraalstelsel hebben een heel ordelijke structuur. In het centrum van de Melkweg bijvoorbeeld, zie je een heldere kern: de centrale verdikking. Hieruit vertrekken de spiraalarmen.

Duid de volgende onderdelen op de onderstaande afbeelding aan: centrale verdikking – 100 000 lichtjaar – spiraalarmen – onze zon – 30 000 lichtjaar

Van opzij waargenomen ziet de Melkweg er wat anders uit. Hier zie je dat de meeste materie zich in de kern en de spiraalarmen bevindt. Deze vormen samen een schijfvormige structuur. Toch is er ook materie te vinden in bolvormige clusters en in een grote bolvormige halo rond de Melkweg.

© R. HURT (SCC), JPL-CALTECH, NASA

Hieronder zie je een foto van de jonge astrofotograaf Sander Clemmens uit Poperinge die in tien opnames van 1’45’’ de Melkweg vanuit België fotografeerde.

Bekijk via de QR-code de animatie met daarin een vergelijking van verschillende hemellichamen, op basis van grootte.

De materie in ons Melkwegstelsel kan je onderverdelen in drie soorten: sterren, planeten en nevels. Over deze drie vormen van hemellichamen kan je telkens een volledig boek schrijven. Toch moeten we ons hier tot de essentie beperken. Sterren en planeten bespreken we wat verder, wanneer we het eindelijk hebben over onze aarde. We beginnen hier eerst met de nevels.

1.5.1 Nevels

Nevels zijn grote verzamelingen van gassen (die vooral H en He elementen bevatten) en stof (zwaardere elementen zoals C, O, S, Si … tot uiteindelijk Fe) in de ruimte tussen de sterren.

A DIFFUSE NEVELS

Dit zijn nevels waarvan je de randen niet duidelijk kan waarnemen. Er zijn verschillende subtypes:

emissienevels

Deze diffuse nevels zijn in staat om zelf licht uit te zenden.

absorptienevels

Deze diffuse nevels absorberen het licht, waardoor ze eruit zien als een donkere vlek in de ruimte.

reflectienevels

Deze diffuse nevels zenden zelf geen licht uit, maar zijn in staat om het licht van naburige sterren te weerkaatsen.

B PLANETAIRE NEVELS

Deze nevels hebben een duidelijke rand en zien er vanwege hun bolvorm uit als een planeet. Toch heeft het niets met planeten te maken!

C SUPERNOVARESTEN

Dit soort nevel met een duidelijke rand is wat overblijft nadat een ster een gewelddadige dood is gestorven. Een gigantische explosie heeft alle materie van de ster in alle richtingen geblazen.

© SANDER CLEMMENS

Benoem het type nevel onder elke afbeelding.

© TRAPPIST/E. JEHIN/ESO, CC-BY 4.0

Tarantulanevel

Paardenkopnevel

Cocon nevel

Eskimonevel

Krabnevel

1.5.2 Sterren

Om onze zon en haar invloed op de aarde beter te begrijpen, is het interessant om te kijken hoe onze ster is opgebouwd.

Een ster is geen grote saaie bol die zomaar in de ruimte rondzweeft. In een notendop uitgelegd: een ster is een grote verzameling van hoofdzakelijk H-elementen in de ruimte, die door de zwaartekracht tot een enorme bol worden samengedrukt. Door die immense druk in de kern van de ster, zal ze aan kernfusie doen. Dit wil zeggen dat twee H-atomen samensmelten tot een nieuw atoom, namelijk He. We zeggen dan dat H kernfusie ondergaat tot He. Hierbij komt enorm veel energie vrij in de vorm van straling en warmte. Deze straling zal uiteindelijk de ster verlaten als, onder andere, zichtbaar licht.

Via de animatie op pagina 16 werd duidelijk dat er heel wat soorten sterren bestaan: van klein en wit van kleur, tot reusachtige, rode sterren en alles daartussenin. De grootte en de kleur van de ster wordt bepaald door de continue strijd tussen enerzijds de zwaartekracht en anderzijds de energie die vrijkomt door de kernfusie in de ster. Onze zon is een relatief kleine, maar stabiele ster.

zwaartekracht

In de kern van de zon vindt kernfusie plaats. De vrijgekomen energie van die kernfusie veroorzaakt een temperatuur van 15 miljoen K die daarna een hele lange en trage reis onderneemt naar het oppervlak van de ster.

In de stralingszone wordt energie in de vorm van straling geabsorbeerd en weer vrijgegeven. Na elke vrijgave heeft de straling een beetje minder energie, waardoor ze afzwakt. Dit proces duurt tot wel 170 000 jaar vooraleer de straling eindelijk uit de stralingszone kan ontsnappen. De temperatuur zakt ondertussen van 7 miljoen K nabij de kern tot 2 miljoen K nabij de volgende laag.

In de convectiezone ontstaan er stromen van warm en koud gas, waardoor er kringlopen of convecties ontstaan. Door de beweging in deze laag ontstaan er magnetische velden.

De fotosfeer kan je beschouwen als het oppervlak van de zon. Als we naar de zon kijken, dan is het deze laag die je ziet. De straling die in de kern ontstond, kan nu eindelijk ontsnappen. Door de vele botsingen in de stralingszone is een deel daarvan nu wel afgezwakt tot straling met lagere energie, zoals UV-, zichtbaar en infrarood licht. Het oppervlak van de zon heeft een temperatuur van ongeveer 5000 K. Op de fotosfeer zie je zonnevlekken en granules

De atmosfeer van de zon bestaat uit twee lagen: de chromosfeer en de corona. De chromosfeer is een plaats met miljoenen stromen van geïoniseerd gas of plasma. Deze stromen noemen we spicules. Het is er eerst maar 4000 K, maar naarmate men dichter bij de volgende laag komt, warmt het weer op tot 25 000 K.

De corona is de laatste laag van de zon en ze is enkel zichtbaar bij een totale zonsverduistering. Het plasma kan hier temperaturen bereiken tot 2 miljoen K. Deeltjes die uit de corona kunnen ontsnappen noemen we de zonnewind

spicules

granules

© NASA

© NASA/SDO

corona

C

C

Scan de QR­code om meer te leren over protuberansen, filamenten en zonnevlammen

WIST-JE-DAT

Als we alle sterren die we kunnen waarnemen willen indelen in categorieën, dan kunnen we dit eenvoudig doen aan de hand van het Hertzsprung-Russell diagram. Dit is een grafiek met op de verticale as de helderheid van de ster: hoe groter de ster, hoe helderder hij is. Op de horizontale as staat de kleur. Blauwe sterren hebben een hoge temperatuur aan de oppervlakte, rode sterren een relatief lage temperatuur. Je kunt dit vergelijken met de vlam uit een aansteker. Onderaan is de vlam op zijn warmst en blauwgekleurd. Aan de rand, waar de vlam afkoelt, wordt de kleur rood.

Doorheen zijn leven legt een ster een traject af in dit diagram. Het grootste deel van zijn tijd brengt hij door op de hoofdreeks. 90% van alle sterren bevinden zich op deze hoofdreeks. Het einde van de ster is afhankelijk van haar massa, en dan kan ze van de hoofdreeks afwijken.

Lees de beschrijvingen van deze uitzonderingen (zie volgende pagina) en vul ze aan in de witte velden. Markeer ook de hoofdreeks.

EEN WITTE DWERG Dit is een heel kleine ster die nog bijzonder warm is aan de oppervlakte.

EEN BRUINE DWERG Dit is een gefaalde ster die te weinig massa had, waardoor hij nooit begon met stralen.

Dit is een hele grote ster met tot 10 keer zoveel massa als onze zon. Doordat het oppervlak zo ver verwijderd is van de kern, is het dan ook vrij koud. Hierdoor kleurt het rood. Dit is ook de toekomst van onze zon.

EEN RODE SUPERREUS Dit is een ongelofelijk grote ster met met 10 tot 40 keer zoveel massa als de zon.

WIST-JE-DAT

In de bovenstaande sterrenkaart van het sterrenbeeld Orion komt heel wat leerstof uit de voorbije hoofdstukken samen. In de Griekse mythologie was Orion een jager. Artemis doodde hem per ongeluk en sindsdien heeft hij een plek aan de nachtelijke hemel als sterrenbeeld.

Vlamnevel (NGC 2024): emissienevel – afstand 1500 lj Dit is een stervormingsgebied. Op een donkere locatie en zonder maanlicht kun je hem al waarnemen. Sander Clemmens fotografeerde die in Astrolab Iris (Ieper) met een 17,5 cm telescoop.

Betelgeuse: rode superreus – afstand 500 tot 600 lj – diameter 1180 keer de zon Als Betelgeuse op de plek van de zon zou staan, zou hij zich uitstrekken tot aan Jupiter.

Sirius: hoofdreeksster én dubbelster – afstand 8,6 lj – massa 1,5 tot 2,4 keer de zon Het sterke licht van Sirius A overstraalt de begeleider (Sirius B). Sirius B is een witte dwerg met een diameter van 0,022 keer de zon en een massa van 0,99 keer de zon. Sirius A en B bevinden zich op 20 AE van elkaar.

Rigel: blauwe superreus – afstand 860 lj – diameter 70 keer de zon Rond Rigel vind je de Heksenkopnevel (NGC 1909), een reflectienevel die zo’n 50 lj breed is.

EEN RODE REUS

NGC 2024

Sirius

Rigel en NGC 1909

Betelgeuse

©ESO/M. MONTARGÈS ET AL.

©JOSÉ MTANOUS

© S. CLEMMENS, ASTROLAB IRIS

1.5.3 De geboorte, evolutie en dood van een ster

De variatie aan sterren die je in het Hertzsprung-Russell diagram kan zien, ontstaat niet zomaar. Het toont de verzameling van sterren die zich in verschillende stadia van hun leven bevinden. Sterren kunnen namelijk geboren worden, groter worden en uiteindelijk sterven. Hoe hun levensloop eruit ziet, is afhankelijk van de voortdurende strijd tussen de kernfusie in de ster en de zwaartekracht op de ster.

Sterren worden gevormd in absorptienevels. Dit zijn enorme moleculaire wolken in de ruimte tussen sterren die vooral waterstof, maar ook nog andere gasmoleculen bevatten. Door de zwaartekracht komen deze gassen samen tot een steeds heter en groter wordende bol: een protoster

Wanneer de protoster niet genoeg massa krijgt, zal ze nooit verder kunnen evolueren tot een echte ster. Kernfusie kan eventjes plaatsvinden, maar het blijft niet stabiel aanwezig. Daarna blijft er een bruine dwerg over. Dit is een traag afkoelende bol; een gefaalde ster.

Wanneer de protoster wél genoeg massa krijgt, zal ze verder evolueren tot een echte ster die deel uitmaakt van de hoofdreeks. Kernfusie kan op een stabiele manier voor miljarden jaren plaatsvinden. Een mooi voorbeeld is onze zon.

Laat in de levensloop van een ster kan ze uitgroeien tot een rode reus Kernfusie gebeurt in dit stadium niet meer in de kern, maar in een schil rond de kern. Hierdoor wordt de ster steeds groter en groter. Tegelijk koelt het oppervlak meer af waardoor ze rood lijkt. Door hun grootte kunnen we rode reuzen vanop aarde zien als zeer heldere sterren.

Terwijl onze zon een vrij kleine ster is, zijn er ook veel grotere sterren met meer massa. Door de enorme hoeveelheden kernfusie is hun oppervlak heter dan onze zon en kleuren ze blauw. Vanwege die kleur noemen we ze dan ook blauwe (super)reuzen.

Sterren met veel meer massa dan de zon groeien uit tot een rode superreus

© NASA/JPL-CALTECH

onze zon

onze zon

blauwe reus

Wanneer de brandstof in de rode reus op is (en er dus geen kernfusie meer optreedt), dan drijft de de ruimte in om een kleurige planetaire nevel

Terwijl de buitenste schil wegdrijft, stort de kern van de rode reus in elkaar om te vormen. Dit restant van een ster is eerst heel heet, maar ook vrij klein en heel zwaar, alsof je de massa van de zon samenperst tot de grootte

Wanneer de rode superreus doorheen zijn brandstof is geraakt (= wanneer er geen kernfusie meer optreedt), dan stort de kern van de ster in elkaar. Hierbij ontstaat een schokgolf die heel wat materiaal in de ruimte slingert. Dit proces heet een supernova

Wanneer de kern van de rode superreus de supernova overleeft, dan klapt ze in elkaar tot er een neutronenster overblijft. Dit is een kleine, maar enorm hete bol die vooral uit neutronen bestaat. Opvallend is dat ze heel snel rond haar as draait. Een neutronenster die ook stromen van straling uitstraalt, noemen we een pulsar.

Wanneer de kern van de rode superreus de supernova niet overleeft, dan klapt ze zó hard in elkaar dat er een overblijft. Een zwart gat oefent zoveel zwaartekracht uit, dat niets (zelfs geen lichtstraal) eruit kan ontsnappen.

1.6 Op ontdekking in ons zonnestelsel

1.6.1 Het ontstaan van het zonnestelsel

diffuse nevel verrijkt met zeldzame zware atomen

Sterren kan je zien als atoomfabrieken in het universum. Ze maken door hun kernfusie nieuwe elementen aan, waarbij ze met H beginnen om vervolgens He, C, O, S, Si, Fe ... te vormen. Wanneer de ster sterft, kan dat verlopen via een supernova. Hierbij wordt de oude ster door een enorme schokgolf uit elkaar gereten en worden al die atomen de ruimte in geblazen. Zo ontstaan diffuse nevels in de ruimte tussen sterren. Deze nevels worden beetje bij beetje verrijkt met niet alleen eenvoudige, maar ook zeldzame, grotere atomen. Vervolgens kunnen uit deze nevels nieuw sterren en zelfs planeten gevormd worden.

Uit welke chemische elementen zijn levende organismen opgebouwd?

(Denk daarbij ook even na over de volgende stelling: We zijn allemaal opgebouwd uit sterrenstof.)

4,6 miljard jaar geleden gebeurde vermoedelijk het volgende: een schokgolf van een supernova verstoort een diffusienevel op zo’n ingrijpende manier dat de zwaartekracht aan het werk kan gaan. De elementen in de diffuse nevel beginnen door de zwaartekracht samen te trekken en vervolgens te roteren.

accretieschijf met een protoster en planetesimalen

De rotatie kan je wat vergelijken met een kunstschaatsster die ronddraait. Hoe kan ze sneller roteren?

Er ontstaat een accretieschijf, waarbij de meeste elementen in het midden van de nevel terecht komen. Accretie is het proces waarbij een object door de werking van de zwaartekracht massa bij krijgt en dus groeit. Bij objecten met grote massa kan ook de temperatuur aanzienlijk toenemen. In het midden van de schijf komt steeds meer materiaal samen zodat ook de massa toeneemt. Daardoor wordt er hier nog meer zwaartekracht uitgeoefend en komt er nog meer materiaal bij. Zo gaat het maar door en door, totdat een protoster ontstaat: de voorloper van de zon.

Op verschillende afstanden hiervan komen andere elementen in hun beweging rond de protoster samen om planetesimalen te vormen. Dit zijn objecten in de ruimte die bestaan uit samengeklonterde stukken stof en ijs, van enkele millimeters groot, tot een diameter van enkele kilometers. Phobos is met zijn 22 km diameter een goed voorbeeld van een planetesimaal.

Phobos, één van de manen van Mars

accretieschijf met een protoster en protoplaneten, ontstaan van het onderscheid tussen wat later de aardse planeten en de gasplaneten zullen worden

Als de planetesimalen groter worden, trekken ze elkaar aan via zwaartekracht. Hierdoor botsen ze, smelten ze samen en ontstaan er meerdere grotere protoplaneten. Nu zijn ze echter nog niet mooi bolvormig. Ze zijn ook nog omgeven door gas en stof, aanwezig in de accretieschijf.

Door de druk – als gevolg van de zwaartekracht en de impact van de planetesimalen – zijn de protoplaneten nu warm genoeg. Elke protoplaneet smelt dus, waarbij de zwaardere elementen naar het midden zakken en de lichtere aan de buitenkant blijven drijven. Als de protoplaneet afkoelt, is de gelaagdheid een feit.

De temperatuur van de protoster stijgt in deze fase. Voor gassen is het moeilijker om dicht bij de gloeiende bol te blijven. Ze worden naar de rand van de accretieschijf weggeblazen. Zo ontstaan dus twee zones waarin telkens een andere soort protoplaneet gevormd wordt.

1 Dicht bij de steeds warmer wordende protoster ontstaan protoplaneten met relatief zeldzame en iets zwaardere elementen. Ze zijn relatief klein omdat er nu eenmaal niet zoveel zware elementen in het universum rondzweven die aanleiding geven tot een protoplaneet van metaal en steen. Water kan er bestaan in vloeibare vorm en gasvorm.

2 Verder van de protoster is het koud genoeg voor water en gassen om respectievelijk te stollen tot ijs of te condenseren tot heel koude vloeistof. Hier ontstaan reusachtig grote protoplaneten die bestaan uit gas en/of ijs.

Vesta, voorbeeld van een protoplaneet

© 2014 EPFL/JAMANI CAILLET, HAROLD CLENET

huidig zonnestelsel met centraal een ster, daarrond acht planeten en zones met ruimtepuin

Een laatste kosmische gebeurtenis bepaalt ten slotte hoe ons huidig zonnestelsel eruit ziet. De protoster wordt een echte ster: de zon wordt geboren. De temperatuur in de protoster is eindelijk heet genoeg om kernfusie tussen de H-atomen te laten gebeuren. De enorme hoeveelheid energie die daarbij vrijkomt, zet onmiddellijk de nabije H-atomen aan om ook aan kernfusie te doen. Vanaf dan is het alsof het licht in ons zonnestelsel aan gaat, want vanaf nu begint de zon licht uit te stralen. Een deel van de energie die ontstaat in de zon kan nu ook ontsnappen in de vorm van de zonnewind. Dit is een onophoudelijke stroom van geladen deeltjes die weg gekatapulteerd worden uit de zon. Deze zonnewind blaast alle overgebleven stof en gas in de accretieschijf tot voorbij de verste protoplaneten, waardoor de ruimte ertussen vrij netjes en ordelijk wordt.

Rond de jonge zon draaien nu een 50 à 100-tal protoplaneten die in de loop van de volgende tientallen miljoenen jaren met elkaar zullen botsen. Het eindresultaat: een zonnestelsel met centraal één ster en daarrond acht planeten die in een stabiele baan roteren. Daarnaast zijn er nog drie zones overgebleven met ruimtepuin.

Noteer nog een voorbeeld van twee stoffen, waarbij de ene op de andere drijft. Leg uit hoe dat komt.

Onze aarde is ook gelaagd aan de binnenkant. Welke aardlagen ken je nog?

In de module Planeet vol spanning (eerste graad ISAAC­aardrijkskunde), leerde je al over de opbouw en de gelaagdheid van de aarde.

1.6.2 Op bezoek bij de buren

Centraal in het zonnestelsel staat uiteraard de zon: een stabiele ster van gemiddelde grootte en gemiddelde leeftijd. Welke processen er in de zon bezig zijn, leerde je hiervóór al. Rond de zon draaien een aantal planeten. Een aantal kenmerken van deze planeten kan je al eens via de QR-code ontdekken.

Beantwoord de volgende vragen.

• Hoeveel planeten zijn er in ons zonnestelsel aanwezig?

• Noteer alvast de namen van deze planeten op pagina 32-33.

• Welke vorm heeft de baan van elke planeet rond de zon?

• De beweging van de aarde gebeurt binnen een geometrisch vlak: het eclipticavlak Liggen de banen van de andere planeten ook in dit eclipticavlak?

• Waarom draaien de planeten rond de zon?

• De planeten die verder van de zon staan, doen er langer over om één rondje rond te zon te draaien. Daardoor hebben alle planeten een andere omlooptijd Noteer bij elke omlooptijd de naam van de bijhorende planeet.

Als we de planeten in ons zonnestelsel in een figuur willen weergeven, dan moeten we telkens een keuze maken: ofwel tonen we nauwkeurig hun grootte, ofwel hun afstand tot de zon. Daarom is het handig om via de QR-code op de vorige pagina de website vol informatie over het zonnestelsel eens grondig te verkennen.

Via dezelfde QR-code vind je trouwens een aantal gratis apps waarmee je vlot je weg kunt zoeken aan de nachtelijke hemel: Stellarium, Sky Guide en Sky View. Richt je toestel naar de hemel en je ziet ineens waar je de sterren, satellieten, melkwegstelsels en nevels kunt terugvinden. Soms heb je daar wel een verrekijker of telescoop voor nodig als objecten niet helder genoeg zijn. Een tip: gebruik de nachtmodus. Die toont alles in rode kleuren waardoor je ogen beter aangepast blijven aan de duisternis.

In ons zonnestelsel bestaan twee groepen van planeten. Op de afbeelding hieronder zie je hoe elke planeet in grootte verschilt. De vier kleinste planeten noemen we de binnenplaneten. De vier grootste zijn de buitenplaneten.

kleine, rotsachtige, ‘aardse’ planeten gasreuzen ijsreuzen

In hoofdstuk 1.6.1 leerde je dat de protoplaneten tijdens het ontstaan van het zonnestelsel een gelaagde opbouw kregen. Zo’n gelaagdheid vinden we – ondanks de verschillende chemische samenstellingen – bij alle planeten terug.

Ondertussen leerde je dat de planeten in ons zonnestelsel enerzijds heel wat gelijkenissen vertonen, maar anderzijds toch ook heel verschillend zijn.

Kruis in de onderstaande tabel aan of het gaat om een verschil of een gelijkenis tussen de planeten onderling. Als twee of meer planeten het kenmerk hebben, maar andere planeten niet, plaats dan een kruisje in de kolom ‘verschil’. Een enkele uitzondering behoort ook tot de mogelijkheden. In dat geval schrijf je in de laatste kolom welke planeet de uitzondering is.

KENMERK VERSCHIL GELIJKENIS UITZONDERING

de vorm van de baan rond de zon de omlooptijd

de ligging in het eclipticavlak

heeft minstens één maan

heeft een atmosfeer

heeft ringen is opgebouwd uit meerdere lagen

Wanneer we elke planeet in detail bestuderen, dan ontdekken we toch af en toe bijzondere kenmerken.

Voer de onderstaande opdrachten uit op de volgende pagina’s.

• Druk de diameter van elke planeet uit volgens de diameter van de aarde. Bijvoorbeeld: de zon heeft een diameter die 218 keer die van de aarde is.

• Druk vervolgens ook de afstand van elke planeet tot de zon uit in de meest geschikte eenheid.

naam:

diameter:

afstand tot zon:

naam:

diameter:

afstand tot zon:

naam:

diameter:

afstand tot zon:

naam:

diameter:

afstand tot zon:

naam:

diameter:

afstand tot zon:

naam:

diameter:

afstand tot zon:

naam:

diameter:

afstand tot zon:

naam:

diameter:

afstand tot zon:

1.6.3 Onze trouwe metgezel

A Uitzicht en oorsprong van de maan

Naast planeten bevat ons zonnestelsel tientallen natuurlijke satellieten of manen. Een maan is een object dat een baan heeft rond een andere planeet (of dwergplaneet, of ander klein hemellichaam). Manen kunnen verschillende oorsprongen hebben. Een aantal manen zijn ontstaan uit de accretieschijf nabij de planeet waar ze zich bevinden. Andere manen zijn planetoïden die toevallig gevangen werden door de zwaartekracht van een planeet toen ze te dichtbij kwamen. En dan is er onze maan, een buitenbeentje onder de manen.

Beschrijf zo volledig mogelijk de kenmerken van onze maan die we vanop aarde met het blote oog kunnen zien.

Het ontstaan van onze maan bleef lang een mysterie. Onze maan is dan ook groter dan de meeste andere manen in het zonnestelsel. Pas wanneer de eerste maanlandingen maanstenen naar de aarde meebrachten voor onderzoek, hadden we genoeg informatie om een nieuwe hypothese op te stellen. En wat bleek? De samenstelling van de maan is bijna identiek aan die van de aarde! Wat de huidige hypothese inhoudt, kan je via de QRcode ontdekken.

Door een knap staaltje kosmisch toeval is de aarde gebotst met haar kleinere tweeling, de protoplaneet Theia. Men gaat ervan uit dat Theia even ver als de aarde van de zon stond.

Hierdoor was enerzijds de structuur en samenstelling van Theia heel gelijkaardig aan die van de aarde. Anderzijds was, door die vergelijkbare afstand, een botsing tussen de twee protoplaneten onvermijdelijk. De aarde overleefde de botsing en een deel van Theia versmolt met de aarde. Een ander deel van Theia spatte uit elkaar, waarbij de brokstukken in een baan rond de aarde bleven. Via accretie vormden deze brokstukken uiteindelijk de maan.

Deze hypothese werd opgebouwd op basis van computersimulaties en verklaart waarom de maan vrij groot is, een baan rond de aarde heeft en een gelijkaardige samenstelling als de aarde heeft. De andere uiterlijke kenmerken van de maan kan je verklaren door een aantal processen. Die kun je bekijken via de tweede link van de QR-code.

Beantwoord de onderstaande vragen aan de hand van het filmpje over de maan.

• Hoe komt de maan aan zijn donkere vlekken of maria? (> mare: Latijns voor ‘zee’)?

• Hoe komt de maan aan haar kraters?

B Schijngestalten van de maan

De maan is gemiddeld slechts één keer per maand zichtbaar in al haar glorie. De verschillende fasen van de maan zijn het gevolg van haar posities ten opzichte van de zon en de aarde.

Bestudeer de onderstaande afbeeldingen en vervolledig die met de juiste benaming van elke fase en overgang.

eerste kwartier (EK) – nieuwe maan (NM) – laatste kwartier (LK) –volle maan (VM) – wassende maan (WM) – afnemende maan (AM)

Je kan de schijngestaltes zelf nabootsen met behulp van een donkere ruimte, een lamp en een bolvormig object op een stokje. Probeer gerust even zelf thuis of in de klas! De derde link via de QR-code op de vorige pagina toont je hoe je precies te werk kunt gaan.

C Gevolgen van de aanwezigheid van de maan in een baan om de aarde

De aanwezigheid van de maan brengt heel wat gevolgen met zich mee. Kan je ze allemaal achterhalen?

Noteer telkens onder de afbeeldingen.

rotatieas aarde

23,5° eclipticavlak

naar de Poolster (op heden)

naar Vega (Poolster in het jaar 14 000)

Dagelijks voorkomen van hoogtij en laagtij

Wanneer we het eerste gevolg (zie eerste afbeelding vorige pagina) van dichtbij bestuderen, dan zien we toch heel wat bijzonderheden.

Bestudeer de onderstaande grafiek van Blankenberge en markeer in de tabel eronder welke beschrijvingen van toepassing zijn.

© HTTPS://NL.TIDESCHART.COM/BELGIUM/FLANDERS/PROVINCIE-WEST--VLAANDEREN/BLANKENBERGE/WEEKLY/

De tijd tussen hoogtij en laagtij is telkens heel gelijkaardig.

Er is veel variatie in de tijd tussen getijden.

Elk hoogtij is telkens even hoog. Elk laagtij is telkens even laag.

Er is variatie in de hoogte van hoogtij en laagtij.

Per uur komen verschillende getijden voor.

Per dag er komen verschillende getijden voor.

Variatie in de hoogte van getijden verloopt heel geleidelijk.

De variaties in getijhoogte en in het regelmatig opeenvolgen van hoogtij en laagtij hebben een aantal oorzaken:

1 de rotatie van de aarde rond haar eigen as

2 de werking van de zwaartekracht als gevolg van de onderlinge posities van maan, aarde en zon

3 de revolutiebeweging van de maan in tegenwijzerzin rond de aarde in 27-29 dagen

4 de revolutiebeweging van de aarde in tegenwijzerzin rond de zon

banen en rotaties van de zon, aarde en maan

Omdat deze vier factoren onderling moeilijk te onderscheiden zijn, volgt hieronder eerst een verklaring voor het fenomeen van hoogtij en laagtij en daarna dat van springtij en doodtij.

A De aarde draait rond haar eigen as. Het aardoppervlak is voor 70% bedekt met water. Dat water bevindt zich vooral in grote massa’s zoals oceanen en zeeën.

B De maan oefent een zwaartekracht uit op de aarde, en omgekeerd. De kant die het dichtst bij de maan staat (punt z) ervaart de meeste zwaartekracht; de kant het verst van de maan het minst. In tegenovergestelde richting is er de centrifugale kracht. Die is overal even groot en zorgt ervoor dat de afstand tussen de maan en de aarde stabiel blijft. De zwaartekracht is:

• groter dan de centrifugale kracht in punt z

• even groot als de centrifugale kracht in punt x

• kleiner dan de centrifugale kracht in punt y

C De som van de zwaartekracht en de centrifugale kracht verklaart waarom het water in punt z en punt y naar buiten wordt geduwd. Hier ontstaat er hoogtij. Hoe verder je gaat van punt z en y langs het oppervlak van de aarde, hoe meer de resultante van de krachten ervoor zal zorgen dat het water zelfs zo dicht mogelijk tegen de aarde wordt geduwd. Hier is er dan laagtij. Doordat de aarde in één dag eenmaal rond haar as draait, ervaart ze om de zes uur een ander getij (twee keer vloed en twee keer eb).

Maan

Noordpool y x z

Het optellen van vectoren leerde je in het derde jaar in ISAAC­fysica, meer bepaald in het Vademecum.

Afwisselen van springtij en doodtij in een maand

De combinatie van zon, aarde, maan en hun revolutiebewegingen leiden tot vier speciale situaties per maand. Bestudeer de situaties hieronder en bekijk het filmpje via de QR-code.

In bepaalde gevallen liggen de zon, de aarde en de maan op één lijn. Hierdoor zal het extra beetje zwaartekracht door de zon een versterkend effect hebben. Het hoogtij zal extra hoog zijn en het laagtij extra laag. We spreken dan van springtij.

laatste

nieuwe volle maan eerste kwartier

Soms liggen de zon en de maan in een hoek van 90° ten opzichte van de aarde. Hierdoor heffen ze elkaars invloed op de aarde bijna op. Het hoogtij zal helemaal niet zo hoog zijn en het laagtij niet zo laag. We spreken dan van doodtij

Er zit vaak wat vertraging op het tijdstip van doodtij en springtij. De grote eb- en vloedbewegingen overspannen complete oceanen. Die watermassa’s reageren met enige vertraging op de veranderende krachten van zon en maan. Obstakels zoals grote continenten, eilanden of de vernauwing in Het Kanaal veroorzaken bovendien extra vertraging of extra opstuwing. Aan de Noordzeekust merken we hierdoor springtij pas enkele dagen na de nieuwe of volle maan op.

Nu combineren we de posities van zon, aarde en maan met de schijngestalten. Markeer in de tabel op welke datum doodtij plaatsvond.

*(GEGEVENS JUNI - SEPTEMBER 2023)

BRON: HTTPS://PUBLICATIES.VLAANDEREN.BE/VIEW-FILE/51758

Teken aan de hand van een schets de positie van de zon, aarde en maan.

Teken aan de hand van een schets de positie van de zon, aarde en maan.

WIST-JE-DAT

Wist je dat de maan een staart heeft? Door impact van klein ruimtepuin en de werking van de zonnewind komt er natrium vrij uit het oppervlak van de maan. Dit natrium wordt door de zonnewind weggeblazen, net zoals de staart van een komeet. Wanneer de maan tussen de aarde en de zon komt, dan bevindt de aarde zich in de staart van de maan!

Markeer: NM - VM - EK - LK

Markeer: NM - VM - EK - LK

Verduisteringen of eclipsen

Hoewel de zon zoveel groter is dan de maan, staat ze ook veel verder van de aarde verwijderd: 150 miljoen kilometer versus 380 000 kilometer. Hierdoor lijken zon en maan even groot voor iemand die op aarde staat. 223 maanden duren vrijwel exact even lang als 18 jaar. Om de 18 jaar nemen zon, maan en aarde dus vrijwel dezelfde posities ten opzichte van elkaar in. Net die unieke combinatie leidt tot enkele bijzondere fenomenen: de verduisteringen, die zich volgens diezelfde cyclus van 18 jaar herhalen.

A Maansverduistering

B Zonsverduistering

Als de maan tussen de aarde en de zon staat, kan ze het zonlicht voor een korte periode blokkeren op heel specifieke plaatsen op aarde. Als waarnemer merk je dan dat een donker gebied met grote snelheid op je afkomt. Enkel wie zich in de kernschaduw bevindt, ervaart een totale eclips. Net voor en net na het moment van de totale eclips kun je een zogenaamde diamantring waarnemen.

Wie zich in de bijschaduw bevindt, ervaart een gedeeltelijke eclips. Omdat in dat laatste geval nog steeds zonlicht de aarde bereikt, wordt het niet donker en mag je dit fenomeen enkel met een eclipsbril waarnemen.

kernschaduw bijschaduw

gedeeltelijke eclips totale eclips

kernschaduw bijschaduw

In normale omstandigheden hebben alle lichtvlekken die door het bladerdek van een boom op de bodem vallen, een ronde vorm. Het zijn immers afbeeldingen van de zon. Tijdens een gedeeltelijke zonsverduistering hebben deze vlekken de vorm van een maansikkeltje.

1.6.4 Ruimtepuin

Ons zonnestelsel bestaat niet alleen uit de zon en de acht planeten. Daarnaast heb je nog dwergplaneten, planetesimalen, planetoïden, meteoroïden en kometen. Al deze hemellichamen zweven niet zomaar lukraak rond de zon, maar komen in bepaalde gebieden voor. In het zonnestelsel kunnen we dus een aantal zones definiëren.

Lees de beschrijvingen van de verschillende zones en voer de volgende opdrachten uit.

• Noteer de namen van de zones in de witte kadertjes.

• Markeer welke zones ruimtepuin (kometen, planetoïden, meteoroïden …) bevatten.

DE OORTWOLK

De uiterste rand van ons zonnestelsel is meer dan 10 000 AE van ons verwijderd. Ze ziet eruit als een grote bol en bestaat uit tientallen miljarden kleine objecten. Deze objecten bestaan uit steen en ijs en zouden een bron kunnen zijn van heel wat kometen in ons zonnestelsel. Het bestuderen van de Oortwolk is moeilijk omdat ze zo ver gelegen is en de objecten erin zo klein zijn. Daarom is de kennis over de inhoud en de oorsprong ervan nog schaars.

DE KUIPERGORDEL

Deze schijfvormige zone voorbij de baan van Neptunus is zo’n 30 à 55 AE verwijderd van de zon. De Kuipergordel bevat miljoenen kleine objecten van steen en ijs en is daarmee ook een bron van kometen. Daarnaast vinden we er ook tienduizenden grotere objecten terug. Deze kunnen zo groot worden, dat ze bestempeld worden als dwergplaneten, zoals Pluto, Eris e.a.

Pluto

Oortwolk

Kuipergordel

Saturnus

Uranus

Neptunus

DE PLANETOÏDENGORDEL

Tussen het binnenzonnestelsel en het buitenzonnestelsel zit een ring van kleine tot relatief grote objecten die voornamelijk uit steen en metaal bestaan. De kleinste brokken ruimtepuin noemen we meteoroïden, de grotere zijn de planetoïden of asteroïden

Ondertussen heeft men enkele miljoenen objecten in deze zone ontdekt. Meer dan de helft van alle massa zit in een drietal grote planetoïden en één dwergplaneet, Ceres.

DE BUITENPLANETEN

Deze zone bevat de twee gasreuzen, Jupiter en Saturnus, en de twee ijsreuzen, Uranus en Neptunus. De afstand tot de zon is hier groot genoeg voor vluchtige stoffen om samen te klonteren en planeten te vormen.

DE BINNENPLANETEN

De vier aardse planeten vormen de binnenplaneten: Mercurius, Venus, Aarde en Mars.

Dit is de verzameling van de

en de

Dit is de verzameling van de buitenplaneten en de Kuipergordel.

Planetoïdengordel

Trojaanse asteroïden

Maan Pluto Eris

HET BINNENZONNESTELSEL

binnenplaneten

planetoïdengordel.

HET BUITENZONNESTELSEL

De groottes van de planeten zijn niet in verhouding tot hun onderlinge afstand.

KOMETEN

Kometen zijn relatief kleine hemellichamen van enkele kilometers groot. Ze worden soms vergeleken met een ‘vuile sneeuwbal’. Dit komt omdat ze naast bevroren water ook ander materiaal bevatten zoals gesteente, stofdeeltjes, bevroren gassen en complexere organische stoffen. Men vermoedt dat een groot deel van al het water op aarde, alsook de bouwstenen voor het eerste leven op aarde, afkomstig is van kometen!

Ook kometen hebben een baan rond de zon, die vaak verschilt van het eclipticavlak. In hun baan rond de zon bevinden kometen zich soms heel ver en soms heel dicht bij de zon. Als ze in de buurt van de zon komen, zullen bevroren stoffen sublimeren tot een gas en komen ook stofdeeltjes vrij. Dit proces laat twee staarten na. De stofstaart reflecteert zonlicht en kunnen we vanop aarde heel goed zien. De gasstaart krijgt een andere richting door de zonnewind die de gasdeeltjes een lading geeft en wegduwt.

DWERGPLANETEN

Naarmate er meer en meer hemelobjecten ontdekt werden, ontstond de noodzaak om ook planeten in verschillende klassen in te delen. Hieronder vind je de huidige kenmerken waaraan een hemelobject moet voldoen om als planeet te worden beschouwd.

1 Het hemellichaam moet in een baan rond een ster draaien. Een baan rond een andere planeet (zoals een maan) volstaat niet.

2 Het hemellichaam moet voldoende massa hebben om zichzelf, door middel van zwaartekracht, samen te persen tot een bolvorm.

3 Alle ruimtepuin in de omgeving van het hemellichaam langs de eigen baan is opgeruimd.

Ceres

Dwergplaneten slagen er niet in om aan het derde kenmerk te voldoen. Ze hebben genoeg massa om bolvormig te zijn, maar niet genoeg massa om alle ruimtepuin in de nabijheid aan te trekken en op te ruimen.

Gekende dwergplaneten zijn Pluto, Eris, Makemake, Haumea en Ceres. De meeste dwergplaneten vind je in de Kuipergordel, met uitzondering van Ceres. Dit is de enige dwergplaneet in de planetoïdengordel.

Bij elke passage langs de zon wordt een komeet steeds kleiner. Dit proces kan zich blijven herhalen tot de komeet onstabiel wordt en uit elkaar valt, tot er uiteindelijk niets meer overblijft.

© PHILIPP SALZBERGER – CC-SA 2.0

PLANETOÏDEN (ASTEROÏDEN) EN METEOROÏDEN

Naast kometen zijn er ook veel stukken ruimtepuin van metalen en steen die een baan rond de zon hebben.

Deze stukken ruimtepuin zijn niet bolvormig en hebben verschillende groottes.

• Planetoïden, ook wel gekend als asteroïden, hebben een grootte van minstens 1 meter tot wel enkele honderden kilometers.

• Meteoroïden zijn stukken ruimtepuin die kleiner zijn dan 1 meter.

METEOREN EN METEORIETEN

Wanneer een stuk ruimtepuin aangetrokken wordt door de zwaartekracht van de aarde, zal ze met een grote snelheid in botsing komen met de gasdeeltjes van onze atmosfeer. Deze botsingen zullen het kleine stuk ruimtepuin enorm snel opwarmen waardoor het helemaal verdampt. Dit is vanop het aardoppervlak zichtbaar als een kortstondige lichtstreep: een meteoor. In de volksmond spreken we van een vallende ster.

De baan van enkele kometen en heel wat stukken ruimtepuin, kun je bekijken via de QR-code. In deze app kan je onderaan de schuifregelaar verplaatsen. Om te fastforwarden, kan je die helemaal naar rechts schuiven.

Beschrijf enkele kenmerken van de baan van de meeste stukken ruimtepuin.

Grotere meteoren kunnen tijdens hun passage door de atmosfeer een zeer fel licht voortbrengen dat zelfs overdag zichtbaar is. In dat geval spreken we van een vuurbal

Wanneer de meteoor niet volledig is opgebrand in de atmosfeer, kan er een stuk op het aardoppervlak terechtkomen. In dat geval spreken we van een meteoriet

asteroïde

meteoroïde

2 Bewegingen van de aarde

Videobellen met een familielid in Curaçao? Chatten met een medespeler uit Polen? Vreselijke jetlag na een lange vliegtuigreis? De zon die je elke ochtend wakker komt prikken doorheen het gordijn? De dagen die steeds korter en kouder worden naarmate de kerstexamens naderen? Die klasgenoot die technisch gezien nog maar 4 jaar is omdat hij/zij verjaart op 29 februari?

Dat zijn allemaal gevolgen van de bewegingen van onze planeet. Als we ons zonnestelsel als een systeem beschouwen, dan beweegt de aarde:

• rond haar eigen as: dit noemen we de aardrotatie

• rond de zon: dit noemen we de aardrevolutie

Beide bewegingen zijn perfect voorspelbaar en zorgen voor een evenwicht op onze planeet dat heel wat aspecten uit je dagelijks leven bepaalt. Hoog tijd voor wat meer inzicht.

2.1 Aardrotatie

De beweging van de aarde rond haar eigen as heeft een aantal belangrijke gevolgen.

1 Elk hemellichaam komt altijd op in het oosten en gaat onder in het westen.

2 De aarde is geen perfecte bol, maar is afgeplat. Ze is een combinatie van een sferoïde en een geoïde: een sferische geoïde. Je kan deze vorm wat vergelijken met een bol vol builen

polaire diameter

equatoriale diameter

3 De omtreksnelheid verschilt naargelang de plaats op aarde. Waarom lanceert men ruimtetuigen zo dicht mogelijk bij de evenaar?

4 De zon komt niet overal op hetzelfde moment op. Als je de aardbol indeelt in 360 lengtecirkels van één graad, kan je de duurtijd van de aardrotatie (24 uur) delen door 360. Volgens de zonnetijd is het dus naar het oosten telkens 4 minuten later per lengtegraad. Naar het westen is het 4 minuten vroeger. Alleen: de zonnetijd is heel onpraktisch. Binnen België alleen al zouden we onze klok van west naar oost al een kwartier moeten verzetten. Elke stad of elk land had eerst zijn eigen afspraken over tijd. Toen de mens steeds vaardiger werd in het bevaren van de zeeën en oceanen, en contacten over grote afstanden mogelijk waren, voelde men de nood om een systeem van tijdzones in te voeren. Op dat moment was het Verenigd Koninkrijk heer en meester op het water, dus namen heel wat landen vanaf 1685 het Britse systeem van de astronoom John Flamsteed over. In dit systeem is de nulmeridiaan het referentiepunt. Dat is de lijn van de Noordpool tot de Zuidpool, doorheen de stad Greenwich. Daarom kreeg deze tijdzone de naam Greenwich Mean Time (GMT)

Men werkte wereldwijd een zonetijd uit met de nulmeridiaan als centrale lijn. Zo ontstonden 24 tijdzones die telkens een uur van elkaar verschillen.

Vul de onderstaande figuur aan door elke term op de juiste plaats te noteren.

Greenwich – GMT – GMT+1 – GMT+2 – GMT-1 – GMT-2 – nulmeridiaan

Op een bol van 24 tijdzones komen twee zones elkaar onvermijdelijk opnieuw tegen: GMT+12 en GMT-12. Dit zijn eigenlijk dezelfde tijdzones met de datumgrens in het midden. Bestudeer die datumgrens in je atlas. Ze is aangepast aan de conventionele tijd en zigzagt doorheen

Vanwege de noodzaak om kleine tijdsvariaties in de aardrotatie te compenseren, wordt nu vooral de opvolger van GMT gebruikt: Coordinated Universal Time (UTC). Het principe is hier

De kaart met tijdzones in je atlas is ingedeeld in 24 uren van telkens 15° langs de lengtecirkels, zodat ze de hele aardbol van 360° omvatten. Door de gekozen projectie zijn de uurgordels allemaal even breed, van pool tot pool. Dat is praktisch voor het gekozen kaartthema, maar strookt niet met de werkelijkheid. Elke projectie van een bol op een plat vlak zorgt voor een zekere mate van vertekening.

Vaak kiest men dan voor een cilinderprojectie, zoals de Mercator- of de Millerprojectie. De kaart komt tot stand door de bol te projecteren op een cilinder die haar precies omsluit en haar aan de evenaar raakt. Tenslotte knipt men de cilinder ergens open en vormt het geheel een vlakke kaart. Daardoor zijn de kompasrichtingen en hoeken overal op de kaart correct (te zien aan de loodrechte hoek tussen alle meridianen en parallellen). Deze kaart was dan ook van groot belang voor de scheepvaart. Tegelijk treden naar de polen toe grote oppervlaktevervormingen op. Groenland en Antarctica lijken hierdoor reuzenlandmassa’s, waardoor je deze projectie niet vaak tegenkomt in atlassen. Behalve dan bij de kaart met de tijdzones. Het filmpje toont je de vooren nadelen van de verschillende projecties.

Verken de kaart met tijdzones in je atlas en los de volgende vragen op.

• Hoeveel tijdzones heeft de VS?

• Hoeveel tijdzones heeft China?

• In welke tijdzones kan je België vinden?

Als je het antwoord voor België vergelijkt met de sterrenkundige ligging van ons land in het model van pagina 50, dan valt je al een afwijking op. Het systeem van tijdzones vormt dan wel een leidraad voor landen, maar het kan naar eigen oordeel of in overleg met buurlanden worden aangepast. Vaak spelen economische argumenten een grote rol. Dat is ook de reden waarom heel wat Europese landen dezelfde tijdzone delen, ondanks het feit dat ze theoretisch gezien in een andere tijdzone liggen. Dit noemen we de conventionele tijd

Vul de tabel hieronder aan.

Beijing

Rio de Janeiro

Kinshasa

New York

Maak de volgende oefeningen.

• Er staat een internationale match tussen Frankrijk en Japan op het programma. Die vindt plaats om 19u in Parijs. Hoe laat start de match dan volgens de lokale tijd in Japan?

• conventionele tijd voor Parijs:

• conventionele tijd voor Tokyo:

• tijdsverschil tussen beide locaties:

• antwoord:

• Eén van je vrienden is jarig, maar is op dat moment op reis in Bangkok, Thailand. Je belt hem/haar om 11u ’s morgens. Wat is de lokale tijd in Bangkok op dat moment?

• conventionele tijd voor Bangkok:

• conventionele tijd voor jouw locatie:

• tijdsverschil tussen beide locaties:

• antwoord:

Waar in de wereld viert men het eerst en het laatst Nieuwjaar? Vul de tabel aan. LOCATIE

eerst:

laatst:

2.2 Aardrevolutie

Lang dacht men dat de aarde centraal stond in het universum en dat alles dus rond de aarde draaide. Deze denkwijze is het model van het geocentrisme. Sinds de ontdekkingen van Copernicus weten we dat de zon centraal staat en de aarde daarrond draait. Dit noemen we het heliocentrisme.

Waarom verschoof de denkwijze van geocentrisme naar heliocentrisme?

De aarde maakt één rondje rond de zon in (afgerond) 365 dagen en 6 uur. Na vier jaar is er een extra dag opgespaard, dan volgt er een schrikkeljaar

De seizoenen ontstaan ook door de aardrevolutie. Een veelvoorkomende opvatting is dat het wisselen van de seizoenen iets zou te maken hebben met de afstand tussen de aarde en de zon. Laten we deze misvatting even ophelderen.

Bestudeer de onderstaande figuur. Op welk moment staat de aarde het dichtst bij de zon?

147000000km

*afstanden niet op schaal

Hoe komt het dan dat de seizoenen wisselen? Het antwoord vinden we in de schuine stand van de aarde ten opzichte van het eclipticavlak. Er ontstaan daardoor voor zowel het noordelijk als het zuidelijk halfrond verschillen omtrent:

• de tijdsduur waarin de zonnestralen het aardoppervlak kunnen bereiken. Hierdoor verschilt de lengte van dag en nacht. In ons land zijn de dagen lang in de zomer en kort in de winter. Hoe langer een gebied met zonlicht beschenen kan worden, hoe meer zonnestralen in warmte omgezet kunnen worden. Dit leidt tot hogere temperaturen.

• de hoek die de zonnestralen maken ten opzichte van de horizon. Een grotere hoek zorgt voor een hogere culminatiehoogte van de zon in zijn dagelijkse omloop. In ons land staat de zon op zijn hoogst in de zomer en op zijn laagst in de winter. Hoe groter de hoek van de zonnestralen op een punt, hoe geconcentreerder de energie van de zon op dat punt. Dit leidt tot hogere temperaturen.

Op de onderstaande afbeelding zie je hoe de hoek van de zonnestralen op het aardoppervlak tijdens het jaar verschilt, als gevolg van de schuine stand van de aardas.

Je leerde in de lagere school wellicht dat elk seizoen start op de 21ste van maart, juni, september en december. Dat klopt bijna, maar niet helemaal. De start van de seizoenen wordt astronomisch bepaald met de positie van de aarde ten opzichte van de zon. Lente en herfst beginnen wanneer dag en nacht even lang duren. Soms is dat al op 20 maart en vaak is dat pas op 22 of 23 september. De zomer en de winter starten op het moment dat de zon loodrecht op een van de keerkringen staat. Ook dat kan schommelen tussen de 20ste en de 23ste van de maand.

Daarom zijn er vier punten van belang in de baan van de aarde rond de zon. Zo is er tweemaal sprake van een zonnewende en tweemaal van een equinox. Een zonnewende is de dag waarop de zonnestralen loodrecht op één van de keerkringen invallen. Deze dag markeert de overgang naar de zomer of winter. Aan de poolgebieden spreken we dan van een pooldag of poolnacht omdat het er dan 24 uur lang licht of donker is. Een equinox of nachtevening is de dag waarbij het zonlicht exact 12 uur het oppervlak kan belichten. De overige 12 uur is het dan nacht. Deze dag markeert de overgang naar de lente of herfst.

Los de onderstaande vragen op.

• Hoe schuin staat de aardas ten opzichte van het eclipticavlak?

• Op welke breedteligging vind je de twee keerkringen terug?

• Op welke breedteligging vind je de poolcirkels terug?

• Verklaar de betekenis van het woord ‘keerkring’.

Ga via de QR-code naar de animatie en voer de opdrachten uit op de volgende pagina.

1 Kleur op de globes het deel dat door de zon verlicht is.

2 Teken de raaklijn aan de cirkel van de zonnestralen om te bepalen waar de zon loodrecht aan de hemel staat (of ‘in het zenit’).

3 Markeer de juiste antwoorden in de rest van de tabel en beantwoord de open vragen.

eclipticavlak

Welk

Waar gaat de zon niet meer onder?

Waar blijft het 24 uur lang nacht?

Noteer onder elke afbeelding:

1 wanneer het beeld gemaakt werd. Kies uit: 21/3, 21/6, 21/9, 21/12.

2 welk tijdstip het op dat moment in België is. Kies uit: ochtend, middag, avond, nacht.

de aarde gezien vanaf Meteosat 8 zicht op het noordpoolgebied van de aarde

de aarde gezien vanaf de zon

satellietbeeld van de aarde De positie van de zon wijst op zenitale culminatie.

3 To boldly go where no one has gone before

Naast de welbekende plaatsbepaling op aarde aan de hand van breedte- en lengteligging, is er voor waarnemingen in de ruimte ook een systeem nodig. Laten we dat even onderzoeken. Kies één ster uit op de afbeelding hiernaast en laat je buur vragen stellen om te achterhalen welke ster je koos. Laten we nog een stapje verder gaan. Kies een andere ster en beeld je in dat je buur iemand is die enkel Mandarijns kan spreken. Hoe pak je dat in hemelsnaam aan?

Beeld je ten slotte in dat die buur die enkel Mandarijns begrijpt, zich dan ook nog eens in China bevindt en een andere horizon ziet dan jij. Niet zo simpel, hé.

3.1 Plaatsbepaling in de ruimte

Om de plaats van objecten in de ruimte te bepalen is er een goed doordacht systeem nodig. Zo’n systeem kan je enkel maar opstellen als je een paar afspraken maakt. Hier op aarde spreken we over de nulmeridiaan, de evenaar en de vier windrichtingen. In de ruimte gebruiken we deze coördinaten van op aarde door ze te projecteren op een denkbeeldige bol rond de aarde. Deze bol noemen we de hemelbol met daarop de hemelevenaar en de hemelmeridiaan. Ook de plaats van de waarnemer is van belang. Het punt loodrecht boven de waarnemer noemen we de zenit Het punt loodrecht onder de waarnemer is de nadir. Voor België gelden de volgende waarden:

Twee coördinatensystemen worden frequent gebruikt: het systeem van de horizontale coördinaten en het systeem van de equatoriale coördinaten.

HORIZONTALE COÖRDINATEN EQUATORIALE COÖRDINATEN

Het systeem van de horizontale coördinaten maakt gebruik van de azimut en de hoogte.

De azimut (A) is de hoek vanaf het noorden tot aan het snijpunt met de verticale, recht onder het object. Dit komt overeen met de kompasrichting waarin de ster waargenomen wordt.

De hoogte (h) is de hoek van de horizon, langs de verticale tot het object.

Het systeem van de equatoriale coördinaten maakt gebruik van de rechte klimming en de declinatie.

De rechte klimming (α) is de hoek vanuit het lentepunt, langs de hemelevenaar, tot aan het snijpunt van de verticale door het object en de hemelevenaar.

De declinatie (δ) is de hoek van de hemelevenaar, langs de verticale hierop, tot aan het object.

Voordeel:

• eenvoudig te bepalen met kompas en clinometer (zie tekening hieronder)

Voordeel:

• de twee bekomen hoeken zijn plaats- en tijdsonafhankelijk

• geschikt voor objecten die heel ver verwijderd zijn

Nadeel:

• geschikt voor objecten dicht bij de aarde

Nadeel:

• plaats- en tijdsafhankelijk, beide moeten dus correct bepaald worden

• moeilijk te bepalen, want de ligging van de hemelevenaar aan de nachtelijke hemel is afhankelijk van de breedteligging waarop de waarnemer zich bevindt (90°-breedteligging). Dit is werk voor geoefende waarnemers.

Los de volgende oefeningen op aan de hand van de link ‘Heavens Above’ via de QR-code.

• Welke coördinaten gebruikt men om de locatie van de planeten op een bepaald tijdstip te bepalen?

• Welke coördinaten gebruikt men om de locatie van het ISS of van Starlink satellieten op een bepaald tijdstip te bepalen?

3.2 Reiken naar de sterren

Van de oerknal tot de geboorte van een ster uit een diffuse nevel, van het stralende bestaan van elke ster tot de restanten van de gewelddadige dood van een rode reus: al deze gebeurtenissen hebben iets gemeenschappelijks: ze sturen energie het universum in onder de vorm van elektromagnetische straling

We onderscheiden verschillende soorten elektromagnetische straling, op basis van de golflengte. Hoe korter de golflengte, hoe meer energie de elektromagnetische straling bevat en hoe schadelijker deze kan zijn voor een levend organisme. Stralen met een lange golflengte daarentegen, bevatten weinig energie en zijn dan ook onschadelijk.

Hoe toevallig is het nu dat onze aarde een magneetveld én een atmosfeer heeft die ons kunnen beschermen tegen de meeste van die schadelijke stralen! Enkel zichtbaar licht en een deel van het spectrum van de radiogolven kunnen gemakkelijk het aardoppervlak bereiken. Maar goed ook, want anders zouden we ’s nachts geen enkele ster kunnen zien.

*illustraties niet op schaal

Al eeuwenlang zijn mensen nieuwsgierig naar wat er zich in het universum afspeelt. Wat ze waarnemen, leidt vaak tot speculatie en redeneringen. Zo is het dan ook niet verwonderlijk dat heel wat van de eerste astronomen ook filosofen waren! Het is nu eenmaal niet zo gemakkelijk om naar een ster te reizen die zich enkele miljoenen lichtjaren ver bevindt, om er even snel enkele experimenten op uit te voeren of er theorieën op uit te testen. Een astronoom is daarmee een uniek soort wetenschapper die zijn ideeën vaak op wiskundige manieren probeert te bewijzen. Soms duurt het tientallen jaren vooraleer een techniek wordt uitgevonden om daadwerkelijk via waarnemingen een theorie te bevestigen of te ontkrachten.

Vanuit de noodzaak om met heel weinig informatie toch heel veel te weten te komen, zijn er een aantal interessante technieken ontstaan.

A Chemische samenstelling

Men kan de chemische samenstelling van sterren, nevels en soms zelfs van planeten of de atmosfeer van planeten bepalen aan de hand van Fraunhoferlijnen. Dit zijn de zwarte lijnen in een absorptiespectrum of de zichtbare lijnen in een emissiespectrum. De locatie van elke lijn in het spectrum komt perfect overeen met een bepaald chemisch element. Op deze manier kan men dus de chemische samenstelling van een object uit de ruimte achterhalen. Wil je er meer over weten, bekijk dan het filmpje via de QR-code.

Zo ontdekten astrofysici de gemiddelde samenstelling van een ster:

• 72% H

• 26% He

• 2% zwaardere elementen

Dit is behoorlijk gelijkaardig aan de theoretische beginwaarden van 76% H en 24% He bij het begin van het universum volgens de omstandigheden zoals voorspeld in de oerknaltheorie.

continu spectrum

emissiespectrum

absorptiespectrum

B Beweging

Ook de beweging van hemelobjecten kunnen we nauwkeurig bestuderen. Wanneer astronomen de sterren bestudeerden en de golflengte ervan noteerden, bleek dat de golflengte (voor de meeste sterren) na enkele jaren een heel klein beetje veranderd was. De verklaring die we hieraan geven, is enigszins vergelijkbaar met het Dopplereffect.

blauwverschuiving

Andromedastelsel

Blauwverschuiving = de verandering in golflengte doordat een object zich dichter bij de waarnemer beweegt. De golflengte wordt kleiner.

roodverschuiving

Roodverschuiving = de verandering in golflengte doordat een object zich van de waarnemer weg beweegt. De golflengte wordt groter.

De meeste hemellichamen blijken een roodverschuiving te vertonen. Alles beweegt dus verder weg.

Spoel de tijd terug. Wat krijg je dan?

M74/NGC 628

C Temperatuur

Door te kijken naar hemelobjecten in het volledig elektromagnetisch spectrum, kan je ook de temperatuur bepalen. Hier volgen enkele voorbeelden.

• Gammastralen komen enkel voor bij hevige gebeurtenissen zoals een supernova van een gigantische ster, die dan onmiddellijk leidt tot een zwart gat.

• Kandidaat-planeten waar leven op zou kunnen ontstaan, vind je dan eerder in gebieden met infraroodstraling (= warmtestraling). Dit zijn koelere regionen, dicht bij een ster van gemiddelde grootte.

• De gemiddelde temperatuur in het universum blijkt 2,7 K te zijn. Deze temperatuur komt overeen met een straling van het type microgolf. We noemen deze straling de kosmische achtergrondstraling. De bron voor deze straling is het universum zelf, want ze is ontstaan kort na de oerknal. Omdat die straling van toen er nog steeds is, kan ze ook overal in het heelal gemeten worden. SOORTEN

10 - 103 K koude stof- en gaswolken, planeten

microgolven 1 - 10 K koude gaswolken (ook rond nieuw gevormde sterren), de kosmische achtergrondstraling

radiogolven < 1 K radiofrequente straling uitgestoten door elektronen in magnetische velden

Omdat de kosmische achtergrondstraling een kijk geeft op de omstandigheden in het vroegere universum, werd ze uitvoerig bestudeerd door tal van wetenschappers. Er werden zelfs speciaal hiervoor twee satellieten (WMAP en COBE) de ruimte ingestuurd om de microgolven beter te kunnen bestuderen. Op de volgende pagina zie je het resultaat.

In 2017 werd de Nobelprijs voor de fysica uitgereikt aan wetenschappers die onderzoek deden naar zwaartekrachtgolven. Dit soort golven ontstaan wanneer twee hemelobjecten rond elkaar draaien. Hierdoor ontstaan rimpelingen in de ruimtetijd die zich als een golf voortplanten. Hoewel zwaartekrachtgolven heel wat gelijkenissen vertonen met elektromagnetische straling, zijn er toch ook een aantal opmerkelijke verschillen. Zo kunnen twee rond elkaar draaiende zwarte gaten met gemak zwaartekrachtgolven voortbrengen, maar toch geen elektromagnetische straling produceren. Bovendien kunnen zwaartekrachtgolven zonder enige moeite door stof, nevels en zelfs onze atmosfeer gaan. Zo kunnen we met behulp van bijzonder gevoelige meetapparatuur vanop het aardoppervlak toch heel wat extra informatie over het universum bekomen. Ten slotte zouden er ook zwaartekrachtgolven in het universum aanwezig zijn die dateren van vlak na de oerknal. Deze golven zouden dan ook een pak ouder zijn dan de allereerste elektromagnetische stralen, waardoor we alweer wat meer te weten kunnen komen over het ontstaan van ons universum.

WIST-JE-DAT

3.3 Resultaten van meer dan een eeuw aan onderzoek

Wat zijn nu de resultaten van al dat onderzoek? Is onze nieuwsgierigheid al bevredigd of kennen we nog maar net het topje van de ijsberg? Eén ding staat vast: het onderzoek bleek aanleiding te geven tot beelden die balanceren op de grens tussen wetenschap en kunst.

Het Karrenwielstelsel bevindt zich op 500 miljoen lichtjaar van de aarde. Links zie je een heel gedetailleerd beeld gemaakt door de James Webb Telescope (2022) met een combinatie van zichtbaar en infrarood licht. Rechts zien we datzelfde stelsel bekeken door de veel oudere Hubble Space Telescope. De beelden zijn niet alleen adembenemend, ze hebben ook geleid tot heel wat kennis en inzichten

A Door de chemische samenstelling, de beweging en de temperatuur van hemelobjecten te bestuderen, hebben we voldoende argumenten die de huidige oerknaltheorie over het ontstaan van het heelal ondersteunen. De waarnemingen zorgen voor dit bewijsmateriaal.

Ga in hoofdstuk 3.2 op zoek naar waargenomen bewijsmateriaal voor de oerknaltheorie. Noteer je antwoorden hieronder.

B We kunnen onszelf ondertussen al beter lokaliseren in het heelal. We weten ook van welke grotere gehelen we deel uitmaken. We zijn bovendien in staat om de bewegingen van onze planeet en onze maan te voorspellen. Zo kunnen we een wetenschappelijke verklaring geven aan fenomenen als dag en nacht, de seizoenen, zonsverduisteringen … die eeuwenlang als mysterieus en zelfs goddelijk werden gezien. Dankzij de wetenschap heeft de mens dus telkens zijn wereldbeeld moeten bijstellen. Ook Albert Einstein ondervond dit. Toen hij de gevolgen van zijn algemene relativiteitstheorie verder onderzocht, bleken die de uitdijing van het heelal te voorspellen. In het toenmalige beeld kon dit echter niet kloppen, want men ging ervan uit dat het heelal statisch was. Daarom voegde Einstein een correctiefactor toe aan de vergelijking: een kosmologische constante. Enkele jaren later was er overweldigend bewijs dat het heelal wel degelijk uitdijt en Einstein moest zijn constante overboord gooien.

C Niet alleen weten we goed hoe het universum ontstaan is, dankzij metingen hebben we ook een beeld over de toekomst van dit alles. Wetenschappers combineerden informatie van de roodverschuiving van supernova’s met de algemene relativiteitstheorie. Blijkbaar zijn er twee tegengestelde krachten aan het werk. Enerzijds is er de zwaartekracht die alles in het universum weer naar elkaar toe wil trekken. Anderzijds is er een mysterieuze expansiekracht die alles uit elkaar drijft. Deze kracht noemt men donkere energie Wat deze donkere energie is, weet men nog niet. Of ze een constante is, ook niet. Toch komt Einsteins kosmologische constante hier weer naar boven, zij het dan met een andere betekenis: het is de energieinhoud van het vacuüm, de donkere energie. Terwijl men vroeger dacht dat die nul was, stelt men nu dat die hoeveelheid energie er net voor zorgt dat het heelal uitdijt.

In het tijdsschema van het heelal zitten we nu op een cruciaal punt waar nog steeds drie scenario’s mogelijk zijn.

Scenario 1: The Big Rip – weinig waarschijnlijk

Volgens deze theorie zal de uitzetting van het universum steeds sneller en sneller verlopen, tot het universum als het ware scheurt. Wie weet ontstaat er dan zelfs een nieuwe oerknal in het gescheurde universum. Donkere energie wint overweldigend van de zwaartekracht.

Scenario 2: The Big Chill (of Big Freeze) – waarschijnlijk

Volgens deze theorie zal de uitzetting van het universum steeds sneller, maar al bij al over een heel lange periode, blijven verlopen. Hierdoor zal alles in het universum zo ver van elkaar verwijderd zijn dat er geen energie en straling meer waarneembaar is. Het universum koelt af tot 0 K en houdt op te bestaan. Hier wint donkere energie heel nipt van de zwaartekracht.

Scenario 3: The Big Crunch – weinig waarschijnlijk

Volgens deze theorie zal het universum kleiner en kleiner worden tot alles weer samengedrukt wordt in één punt: een nieuwe singulariteit. In dit scenario verliest donkere energie van de zwaartekracht.

Je merkt het, we zijn als intelligente vorm van leven op een planeet toch al heel wat te weten gekomen. En toch blijven nog heel wat vragen onbeantwoord. Wat is bijvoorbeeld die donkere energie van daarnet? Uit berekeningen blijkt dat die het merendeel van het universum vult! Hoe kan het dat iets dat alomtegenwoordig en fundamenteel belangrijk is in het universum, nog totaal onbekend is voor ons? Onze onwetendheid laat dus nog heel wat ruimte voor toekomstig onderzoek.

D Na al dat onderzoek zou je denken dat we toch al ooit eens een hint hebben opgevangen van buitenaards leven. Niet dus. Het leven op een planeet met voldoende water, met een beschermende atmosfeer en magneetveld, met een geschikte mix aan mineralen, op een geschikte afstand van een gemiddelde ster die niet te oud of te jong is, op een plaats in een sterrenstelsel die zich niet te centraal of te veel naar de rand bevindt en zonder catastrofale gevolgen (zoals opgeslokt worden door een grotere planeet, in stukken gereten worden door de impact van een asteroïde …) is blijkbaar toch heel bijzonder. Om je een idee te geven van hoe groot de kans is om een signaal van ander intelligent leven in de Melkweg op te pikken, kan je eens spelen met de parameters van de ‘Drake-vergelijking’. Die vind je via de QR-code.

Wat is volgens jouw inschatting de kans op ander intelligent leven in de Melkweg?

ISAAC-moment

ISAAC-actie

Ontstaan van de vier sferen

Ons lot en het lot van onze planeet zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden. Een samenloop van kosmische toevallen heeft gezorgd voor een planeet met unieke kenmerken die tot de vorming van leven heeft geleid. Denk maar aan vloeibaar water, een variatie aan chemische elementen, een laag van gassen in de onmiddellijke nabijheid …

• Hoe levert de zon energie aan de aarde?

• Waar bevinden we ons in het heelal?

• Hoe bewegen we doorheen het heelal?

• Hoe komt het dat we allen verwant zijn met elkaar en zelfs met onze planeet?

• Welke hemellichamen brachten de bouwstenen van leven mee naar de jonge aarde?

• Hoe en waarom verplaatsen de watermassa’s zich op de aarde?

• Welke hemellichamen brachten water mee naar de jonge aarde?

gelaagde structuur?

• Hoe komt het dat er een laag met gassen rond onze planeet hangt?

• Waarom leidt niet elke botsing met ruimtepuin tot beschadiging van de aarde?

• Hoe zijn we beschermd tegen schadelijke straling uit het heelal?

STUDIEWIJZER

ik ken het! paginanummer

Je kan de verschillende afstandsmaten op aarde en in het heelal op een correcte manier toepassen. p. 8-9

Je kan uitleggen waarom een bepaalde projectiemethode gebruikt wordt voor een bepaald doel. p. 50

Je kan de structuur van het zonnestelsel toelichten. p. 24-27 en 44-45

Je kan de eigenschappen van hemellichamen en hun plaats binnen het zonnestelsel beschrijven: sterren, planeten, planetoïden, manen, kometen, meteoren, dwergplaneten.

p. 18-19, 27-34, 44-47

Je kan de plaats van de aarde in het zonnestelsel beschrijven. p. 30 en 44-45

Je kan de kenmerken van aardrotatie beschrijven. p. 48-51

Je kan het dag- en nachtritme van de aarde verklaren. p. 48-51

Je kan uitleggen hoe we aan tijdsbepaling doen, met behulp van de begrippen zonnetijd, GMT, UTC, zonetijd en conventionele tijd.

p. 49-51

Je kan verklaren waarom een datumgrens op aarde noodzakelijk is. p. 50

Je kan de tijdzonekaart in de atlas gebruiken om de tijd elders in de wereld te bepalen. p. 51

Je kan de kenmerken van aardrevolutie verklaren. p. 52-56

Je kan de gevolgen van aardrevolutie verklaren, zoals: de verschillen in culminatiehoogte, de schrikkeljaren, de afwisseling van de seizoenen, de verschillen in daglengte, de zonnewendes en de equinoxen. p. 52-56

Je kan de kenmerken van de maanrotatie en -revolutie beschrijven. p. 35-43

Je kan de gevolgen van maanbewegingen, zoals schijngestalten, getijden en verduisteringen verklaren. p. 35-43

Je kan de structuur van het heelal toelichten aan de hand van planetenstelsels, sterrenstelsels, clusters, superclusters, met aandacht voor onze positie in het geheel. p. 10-15

Je kan verklaren waarom de aarde een gelaagde opbouw heeft. p. 26

Je kan uitleggen hoe het heelal en het zonnestelsel ontstaan zijn en hoe de toekomst er kan uitzien. p. 4-6, 20-27, 65-67

Je kan vanuit waarnemingen bewijzen voor de oerknaltheorie beschrijven. p. 59-64

Je kan uitleggen hoe de aarde ontstaan is. p. 24-27

Je kan de levensloop van sterren aan de hand van het Hertzsprung-Russell diagram beschrijven. p. 20-23

Je kan verklaren waarom manen rond planeten bewegen. p. 7

Je kan de manieren van plaatsbepaling in de ruimte benoemen. p. 57-58

Je kan enkele technieken beschrijven om hemellichamen in het heelal te onderzoeken. p. 59-63

Colofon

Auteur Dieter Vandamme, Tine Simoens, Marc Bellinkx, Solange Goossens, Kris Verbouw

Illustrator Martijn van der Voo

Eerste druk 2023

SO 1309/2022

Bestelnummer 65 900 0723 (module 1 van 2)

ISBN 978 90 4864 601 2

KB D/2022/0147/119

NUR 126

Thema YPJT

Verantwoordelijke

RPR

Die Keure wil het milieu beschermen. Daarom kiezen wij bewust voor papier dat het keurmerk van de Forest Stewardship Council® (FSC®) draagt. Dit product is gemaakt van materiaal afkomstig uit goed beheerde, FSC®-gecertificeerde bossen en andere gecontroleerde bronnen.

uitgever die Keure, Kleine Pathoekeweg 3, 8000 Brugge

0405 108 325 - © die Keure, Brugge