inleiding astrofysica 2003 -...

Inleiding astrofysica 2003

Inleiding 1

Paul van der Werf

Sterrewacht Leiden

Inleiding Astrofysica

� � � � � � � ��

� � � � � ��


Wat is astrofysica?

Astrofysica is onze methode om het heelal te begrijpen.

Waarnemingen → beschrijving van het heelal

Astrofysica → begrip van het heelal

bv: wetten van Kepler

bv: wetten van Newton

"Argeloze, onnozele mensen die denken dat men astronomiekan leren door enkel naar de sterren te kijken, zonder kennisvan de wiskunde, worden in een volgend leven vogels."

(Plato, Timaeos)


De fysica in astrofysica

Klassieke mechanica

Relativiteit

Kwantumfysica

Thermodynamica

Electromagnetisme

Hydrodynamica

……

AstronomieFysica


Het heelal als laboratorium

�

Extreme omstandigheden (druk, temperatuur, afstand, zwaartekracht…)

�

Niet direct beinvloedbaar

bv: zwaartekrachtswet (tot Pluto)relativiteit (precessie van Mercurius,

gravitatielenzen, zwarte gaten,zwaartekrachtsgolven)

deeltjesfysica (zonne-neutrinos)kwantumfysica (witte dwergen,

neutronensterren)


Inhoud van dit college

� Zonnestelsel

� Sterren

� Heelal

Newton mechanica

Kwantumfysica

Relativiteit


Scheppingsverhalen:Jodendom en Christendom

Genesis: In den beginne schiep God den hemel en de aarde. De aarde nu was woest en ledig, en duisterniswas op den afgrond; en de Geest Gods zweefde op de wateren. En God zeide: Daar zij licht! en daar werd licht. (Statenvertaling)


Inleiding 2


Scheppingsverhalen:Grieks-Romeinsemythologie

Hesiodos: In het begin was er enkel “ chaos” . Toen verschenen uit de leegte Erebos, de onkenbare woonplaats van de dood, en Nacht. Al het overige was leeg, stil , eindeloos en duister. Toen werd Eros geboren, en bracht een begin van ordening mee. Uit Eros kwamen Licht en Dag voort. Toen Licht en Dag er waren, verscheen Gaia, de aarde. Toen sliep Erebos met Nacht, die het leven schonk aan Ether, het hemelse li cht,…


Scheppingsverhalen:Noorseen Germaanse mythologie

Edda: In het begin was er geen aarde of hemel, geen zand, noch zee noch koele golven. Er was slechts Ginnungagap, een grote leegte. In het noorden was er Nil fheim, en uit de bron van Nil fheim ontsprongen elf rivieren, bekend als de Eli vagar. Terwijl de rivieren naar het zuiden stroomden, koelden ze af en verhardden zich tot ijs…


Scheppingsverhalen:Hopi indianen

De wereld was eerst een eindeloze ruimte waarin slechts de schepper, Taiowa, bestond. Deze wereld had geen tijd, geen vorm en geen leven, behalve in de gedachten van de Schepper. Tenslotte schiep de oneindige schepper het eindige in Sotuknang, die hij zij n neef noemde en die hijschiep als zijn agent om negen heelallen te vestigen.


Scheppings verhalen:Chinese MythologieIn het begin waser een ei en verder niets. Het ei was het heelal, maar er waren geen hemel en geen aarde, slechts duisternis. Uit de duisternis werd het eerste schepsel geboren. Zijn naam wasPanguen hij sliep vele duizenden jaren in de duisternis.

Gedurende deze jaren groeide en groeide hij , totdat hij tenslotte een reus was, en hij was zo groot dat hij ontwaakte en het ei brak. Alle lichte delen stegen op en werden het uitspansel en alle zware delen daalden neer en werden de aarde. Panguwas bang dat ze elkaar zouden raken en dus duwde hij ze uit elkaar.


Gemeenschappelijke motieven:

� Groei vanuit een kleinbegin

� Ordening: in de “chaos” wordt orde gebracht

� Scheppingsdaadheeft de overhandover eeuwig/onveranderend: er is eenbegin

� Hybridemodellen: scheppingsdaad, maar opperwezen/chaosbestond altijdal


Astrofysisch scheppingsverhaal 2003:

In het begin bestonden er noch ruimte, noch tijd, zoals we die nu kennen, maar een bewegend schuim van snaren en lussen, zo klein als iets maar kan zijn. In dit schuim waren ruimte, tijd en energie alle totaal verenigd. Maar het schuim zette uit en koelde af. En toen waren er de zwaartekracht, en ruimte en tijd, en een heelal ontstond.

⇒⇒ zelfde gemeenschappelijke motieven


Inleiding 3


Hoe doen we astrofysica?

Astrofysica is de doelgerichte poging van de mens om het heelal te begrijpen, met waarneembaar fysisch bewijs als het fundament van dat begrip. Dit bewijs wordt verkregen door waarneming van natuurverschijnselen, en/of door experimenten die natuurlijke processen onder gecontroleerde condities trachten te simuleren.

⇒ astrofysica volgt een wetenschappelijke methode


Wetenschappelijke methode

specifiekeverschijnselen

waarnemingen

inductie

algemeen principe,theorie, "natuurwet"

deductie

voorspelling

specifiekeverschijnselen

revisie

⇒ wetenschap is een serie herstelde vergissingen (Popper)Inleiding astrofysica 15

Let op !! Spraakverwarring

� Dagelijks leven: “theorie” = een mening, eenbewering

� Wetenschap: theorie = eenhypothese die voldoende geaccepteerd is en die genoeg verklarend vermogen heeft om nadrukkelijkdoor experimenten bevestigd te worden.Een wetenschappelijke theorie is in geen geval slechts een gokof informele mening.

� Uitspraken als “Het is maar eentheorie” over de waardevaneenwetenschappelijke theorie zijn dus zinloos, wantze verwarren twee verschillende betekenissen vanhet woord “theorie”.


Het belang van waarnemingen: een voorbeeld

“…wij zullen nooit, opwat voor manier dan ook, de chemische samenstelling [van desterren]kunnen bestuderen … Ik benvanmening dat iedere kennisvan de waregemiddelde temperatuurvan desterren noodzakelijkerwijze altijd voor ons verborgen zal zijn.”

Auguste Comte (Frans filosoof), 1835

25 jaar later: eerste spectroscopische metingenvansterren geven informatie over temperatuurenchemische samenstelling


Bakermat van de wetenschap: Griekenland

� De natuurkanbegrepen worden

� Denatuurvoldoet aan natuurwettenen is voorspelbaar

� Natuurverschijnsel → waarneming → verklaring

� Griekse wetenschap: suprematie van de theorie, d.w.z. puur rationeel denken boven waarneming

� Toepassing van “aarde-wetenschap” om het heelal te begrijpen(microcosmos-macrocosmos)


Pythagoras (~520 v.C.)

nam als eerstede wiskundeals uitgangspunt voor het beschrijven vannatuurverschijnselen.


Inleiding 4


Ontdekkingen van de Griekse wetenschap (1)

� Terminator opmaan iskrom⇒ maan is eenbol (Pythagoras ~520 v.C.)

� Rondeaardschaduwbij maansverduistering⇒ aarde is eenbol (Anaxagoras~ 450 v.C.)

� Schijngestalten van deMaan⇒ zon is verder weg dan demaan (Aristoteles ~ 350 v.C.)


Ontdekkingen van de Griekse wetenschap (2)

� Eerstepreciezebepaling van de omtrekvande aarde(Eratosthenes ~200 v.C.)


Aristoteles (~350 v.C.): het eerstecoherente fysische model

� Alles opaarde issamengesteld uit vier elementen: aarde, water, lucht, vuur.

� Elk vandeze elementen beweegt anders: aardenaar het centrumvanhet heelal, vuurvanhet centrum af, water en lucht vullenderuimte daartussen.

� Geocentrisch:aarde staat inhet centrumvanhet heelal.

� Geostatisch:aarde staat stil.

� Voorwerpenvanverschillende samenstelling bewegen verschillend.

� Krachtconcept:bewegingendieafwijkenvan denatuurlijke bewegingvanhetelement moeten door een kracht worden veroorzaakt.


Het geocentrisch heelal

� Andersdan aardse bewegingen, gaan hemelse bewegingenonbeperktdoor⇒ tweesoorten beweging: beperkt, rechtvan/naarhetcentrum(aardse bewegingen) en onbeperktopcirkelsaandehemel

� Christendomsanctioneert Aristoteles' wereldbeeld: beperktebeweging opaarde/onbeperktebewegingaande hemel weerspiegelt onvolmaakteaarde/volmaakte (endaarom onveranderlijke) hemel.


Geocentrischmodel: draaiing van dehemelbol

Er wasgeen bewijs dat aarde draaide

⇒ hemelbol moest draaien


De ecliptica

Hetpaddatdezon volgt over dehemelbol noemenwe de ecliptica.Ookdeplaneten volgen ongeveerdeecliptica.


Inleiding 5


Retrograde beweging

De omkering in deschijnbare bewegingsrichting vaneen planeet langsde eclipticanoemenweretrogradebeweging. Waar komt deze vandaan?


Retrogradebeweging inhet geocentrisch systeem


Ptolemaeus (~100 A.D.): defineertkosmologie voor de eerstvolgende1500 jaar

� Verzamelde deaanwezige astronomische kennis(vooral Aristoteles’ kosmologie en Hipparchos’ waarnemingen) ⇒ Almagest (HetGroteSysteem)

� Verbeterdedemodellen ⇒ epicykel theorie

� Maar:dit ging tenkoste van deeenvoud

� Thomas van Aquino: Aristoteles enPtolemaeus als hoeksteenvan de Christelijkedoctrine

� Middeleeuwen: geloof dat alles ontdektwaswat er te ontdekkenwas


Het geocentrischmodel vanPtolemaeus


Problemen van Ptolemaeus' model

� Model klopte nietmetwaarnemingen

� plaats Aarde uit midden

� epicykelsop epicykels

� in totaal meerdan 100 epicykels

� toch zijn fouten invoorspelde posities vanplaneten omstreeks1400 A.D. toegenomentot verscheidene graden

Koning Alfonso el Sabio: "Als de Almachtige Heer mij had geraadpleegd alvorens aan de Schepping te beginnen, had ik iets eenvoudigers aanbevolen."


De Copernicaanse revolutie (~1500)

� 15deeeuw: herontdekking vanhetGrieksewetenschappelijke gedachtengoed

� Vormenafmetingenvan de Aarde warenalgemeen bekend onder beter opgeleide mensen (Columbus mythe)

� Nikolaus Copernicus:De revolutionibus orbium coelestium: zon inhetmidden ⇒heliocentrischheelal[geinspireerd door van Aristarchus ?]


Inleiding 6


Sterke punten van het heliocentrisch model

� Het is eenvoudig

�

Het verklaart retrogradebeweging zonder epicykels

�

Het verklaart waaromMercuriusen Venus nooit ver van de zon staan

� Het reproduceertde waargenomen helderheidsvariaties van deplaneten


Retrogradebeweging inhet heliocentrischmodel


Modern heliocentrisch model van het zonnestelsel


Modern heliocentrisch model van het zonnestelsel


Problemen van Copernicus' model

� Strijdig met officiele Christelijkedoctrine

� Nieuwe ontdekking

� Draaiende aarde:

�

Aristoteles’ fysica

� Mindernauwkeurig danPtolemaeischmodel:vereist zelfs meerepicykels

� Vraag: Waarom publiceerde hij zijn werk niet? Angst voorde Christelijke kerkof ontevredenheidmethet functionerenvanzijnmodel?


Geocentrisch vs. heliocentrisch

�

Hoekiezenwe tussen twee theoriëen?

�

Wetenschappelijkemethode:

� Beide theoriëen zijn gebaseerdopwaarnemingenvan retrogradebeweging

� Wat voor voorspellingen leveren dezemodellenverder?

� Hoe kunnendie voorspellingen getest worden?


Inleiding 7


Voorspellingen heliocentrisch model: jaarlijkse helderheidsvariaties en parallaxen van sterren

Stellaire helderheden hebben geen jaarlijkse variaties.⇒ probleem voor heliocentrischmodel?

��

��

��

!"# $%& '(% )(*

+, - ./ 0 / -1 /2 3 4 5/ -

67 8 69 : ; ;<=

> 7 < ?<@ 6 AB@


Wat is parallax?

C Parallax isbekend uit het dagelijks leven:

C Houd eenpen oparmlengte enkijk ernaar tegen een achtergrond;

C Kijk afwisselendmet linker- enrechteroogen de pen lijkt te bewegent.o.v. demuur.


Stellaireparallax


Stellaireparallax

C Neem een ster waarmet 6maanden tussenpoos, en meet θ (of 2θ)

C r = 1 AU = 1.496·1011m = 1 Astronomische Eenheid =gemiddelde afstand aarde-zon.

1AU r

2

D

r=θtan

D

r≈≈≈ θθθ sintan

θr

D =


Stellaireparallax

D Dichtstbijzijndester ProximaCentauri: θ=0.764"

m100.41070.3

m10496.1 166

11

⋅=⋅⋅=⇒= −D

rD

θ

rad1070.31803600

764.0 6''

−⋅== πθ

N.b.: 1" komt overeen met 0.5cm op een afstand van 1km

1AU r

2

C 1 Parsec is de afstand waar een ster een jaarlijkse parallax van 1" heeft: 1pc = 3.086 ·1016 m


Het Copernicaans principe

C De Aarde neemt geen speciale plaats inhet heelal in.

C Waarschijnlijk voor het eerst geformuleerddoor Giordano Bruno

C Een radicaal voorstelmet verstrekkende gevolgen voor het wereldbeeld


Inleiding 8


Acceptatie van het heliocentrischemodel

�

Beteremetingen

� Verfijning vanhetmodel

� Bewijzen voor hetmodel

Tycho Brahe

Johannes Kepler

Galileo Galilei


Tycho Brahe(1546 – 1601)

� Laatste grote waarnemervanvoorde telescoop

� Zeer zorgvuldig ensystematisch waarnemer ⇒ eerstemodernegeleerde

� 30 jaar gedetailleerde metingenvanMarsbaan

� Waarnemingenvankomeet in 1577: geenparallax ⇒ kometenzijn geen atmosferisch verschijnsel maar bevinden zichop dehemelbol

� Nam in 1572eensupernova [“nieuwester”] waar in Cassiopeia, geen meetbareparallax ⇒ supernova moet zichop dehemelbolbevinden.

⇒ Strij dig met Aristoteliaans idee vanvolmaakte, eeuwige, onveranderlij ke hemel


Johannes Kepler (1571 – 1630)

� Tycho’s opvolger in Praag

� Hij realiseerde zich dat noch het Ptolemaeischemodel,noch hetheliocentrischemodel Tycho’smetingenmet de vereiste nauwkeurigheid kunnen reproduceren.

� Voorstel: planetenbewegenopellipsen, niet opcirkels

Cirkel: afstand tot het centrumis constant

Elli ps: som van de afstanden tot de tweebrandpunten a en b is constant


Deeerstewet van Kepler

De ellipsenwet:Planetenvolgen elliptische banen rondde zon, met de zon ineen brandpunt.


De tweedewet van Kepler

Deperkenwet: de lijn vande zon naarde planeet beschrijft gelijkeoppervlakten ingelijke tijden.

��

� � � � � � �

��

��

�� ! " #$ " % & % ! '( ) *" (

+,- ./ 01 2,3 + 0 45 67

89 :; < 9

= > >? @A BC DE ? F

GHI JK L JM H N


De derde wet van Kepler

Deharmonische wet:hetkwadraat van desiderischeperiodevan debaan is evenredig met dederde macht van de halvelangeas van de ellips.

32 aP ∝


Inleiding 9


Galileo Galilei (1564 – 1642)

�

Gebruikte als eerste een telescoop om het heelal te bestuderen

�

Testte Aristoteles'fysica experimenteelen verwierpdie tenslotte

� Ketterij-proces in1633

� Gerehabiliteerd in 1980…


Gali leo’s fysica

�

concept vankrachtenbeweging:

� Aristoteles: krachtveroorzaaktbeweging

� Galileo: kracht veroorzaaktveranderingen in beweging

⇒ basis voor Newtonmechanica

� vrije val experimenten: voorwerpen vanverschillende samenstelling vallenevensnel

�

Aristoteles⇒ basis voor Einstein'salgemene

relativiteitstheorie


Galileo’s proces

� Moeilijke, arrogantepersoonlijkheid

� Richtte zich tothet grote publiek

� Uitstekend spreker en leraar

� Publiceerde inhet Italiaans

� 1632: Dialogenaangaande twee belangrijke wereldsystemen: Aristoteliaansekosmologie werd verdedigddoorSimplicio


Gali leo’s astronomische ontdekkingen

� Bergen op demaanzoalsop deaarde ⇒ geen perfectebollen

� Sterren: punten;planeten: bollen

� Schijngestaltenvan Venus

�

Ptolemaeischwereld systeem

� ManenvanJupiter ⇒ miniatuur zonnestelsel

� Melkweg bestaat uit sterren

� Zonnevlekken

�

zonperfect enonveranderlijk


Schijngestaltenvan VenusbevestigenCopernicus

geocentrisch(Ptolemaeus)

heliocentrisch(Copernicus)


Bewijs voor debewegingvan deaarde1. Parallax

2. Aberratie: verschuiving van schijnbare positiedoorbeweging van dewaarnemer (parapluanalogie)

�

grootte van effect: v/c = 30 km/s / 300000km/s = 0.0001rad ≈ 20''

�

James Bradley (1729) ontdekte variaties in stellairepositiesmet een periode vaneen jaar

�

maximale afwijkingen ongeveer20'',elliptischepatronen

�

langgerekte ellipsen in de buurt vanecliptica, cirkels bij ecliptische polen

�

effect identiek vooralle sterren opeen gegeven hoek van de ecliptica

�

langeas vanellipsenparallel aan ecliptica

3. Doppler effect


Inleiding 10


Doppler effect

roodverschuivingblauwverschuiving

Voor v << c:v

c

λλ

∆ =

(voor radiële bewegingen)v > 0: van ons af v < 0: naar ons toe

inleiding astrofysica 2003 -...

Documents