DE STRUCTUUR VAN HET HEELAL

ONDERZOEKSVRAGEN

HOE WORDEN AFSTANDEN IN HET HEELAL UITGEDRUKT?

HOE ONTSTAAN STERREN?

HOE IS HET HEELAL OPGEBOUWD?

1 AFSTANDEN IN HET HEELAL

Telescopen stellen ons in staat om objecten waar te nemen die zich op zeer grote afstanden in de ruimte bevinden. Die afstanden zijn zo enorm groot dat de kilometer als meeteenheid niet volstaat. Om afstanden van die grootteorde te kunnen beschrijven, gebruiken we daarom andere meeteenheden.

1.1 ASTRONOMISCHE EENHEID (AE)

Eén astronomische eenheid is de gemiddelde afstand tussen de zon en de aarde. Die afstand bedraagt ongeveer 150 000 000 kilometer. De gemiddelde afstand tussen de zon en Mars bedraagt ongeveer 1,5 AE, wat dus neerkomt op 225 000 000 kilometer. De AE wordt voornamelijk gebruikt om afstanden binnen ons zonnestelsel uit te drukken.

1.2 LICHTJAAR (LJ)

Om afstanden tussen sterren uit te drukken, is ook de AE een veel te kleine eenheid. Voor die afstanden gebruiken we meestal lichtjaren (lj). Een lichtjaar is geen tijdseenheid, maar de afstand die het licht in één jaar aflegt. Aangezien de snelheid van het licht ongeveer 300 000 km/s is, legt het in één jaar tijd een afstand af van 300 000 x 60 (sec) x 60 (min) x 24 (uur) x 365,25 (dagen) km of 9 467 280 000 000 of bijna 10 biljoen km. Ter vergelijking: de afstand tot Proxima Centauri, de dichtstbijzijnde ster na onze zon, bedraagt 4,3 lj. Dat betekent dat het licht van die ster er 4,3 jaar over doet om ons te bereiken aan een snelheid van 300 000 km/sec. In vergelijking hiermee bedraagt de afstand tussen de aarde en de zon slechts 8,3 lichtminuten (8 min en 20 sec) en die tussen de aarde en de maan slechts 1,3 lichtseconde.

Op iDiddit vind je een animatie over het lichtjaar.

2 Het Zonnestelsel

Het zonnestelsel is het geheel van planeten, asteroïden en kometen dat rond de zon draait. Zij blijven in hun banen door de intense zwaartekracht die de ster uitoefent vanwege zijn massa, die veel groter is dan die van welke planeet dan ook in het zonnestelsel. De aarde is een planeet en de zon is de ster die het dichtst bij ons staat. Ze verschilt niet van de sterren die wij ook ’s nachts aan de hemel zien schitteren.

2.1 ONTSTAAN VAN ONS ZONNESTELSEL

- De zon is een ster die ontstaan is in een stof- en gasnevel in het heelal, de zonnenevel.

- Door de zwaartekracht begon de stof- en gasnevel samen te trekken, maar aangezien de materie in de nevel niet gelijk verdeeld was, gebeurde dat heel onregelmatig.

- Door de onregelmatige samentrekkingen begon het geheel rond te draaien.

- Als gevolg van het draaien, werd de nevel afgeplat tot een schijf met een centrale bol.

De centrale bol trok verder samen. Van zodra de temperatuur en dichtheid hoog genoeg waren voor kernfusie, ontstond er een nieuwe ster: de zon was geboren.

Ondertussen klonterden verschillende materiedeeltjes in de platte schijf samen tot honderden beginnende planeten, de planetesimalen.

Die hadden afmetingen variërend tussen een centimeter en enkele kilometers in doorsnede. Het waren vormloze massa’s die nog niet genoeg zwaartekracht bezaten om een bolvorm aan te nemen.

De straling van de zon blies alle lichtere elementen weg, waardoor de vaste klonters materie met elkaar botsten en de terrestrische planeten of rotsplaneten vormden.

De grote hoeveelheid gas in de buitenste zone vormde de grote gasplaneten, de gasreuzen

2.2 BOUW VAN DE ZON

De zon is veruit het belangrijkste hemellichaam in het zonnestelsel. Ze bevat 99,7 % van alle massa in het zonnestelsel. In de kern van de zon loopt de temperatuur op tot 15 miljoen °C en grijpt er kernfusie plaats, waarbij waterstofkernen fuseren tot heliumkernen. Daarbij komt er een grote hoeveelheid stralingsenergie vrij, die na ongeveer één miljoen jaar het zonneoppervlak verlaat onder de vorm van elektromagnetische straling. Het zonneoppervlak, de fotosfeer, heeft een temperatuur van ongeveer

6 000 °C en geeft de zon haar witgele kleur. Soms zijn er donkere vlekken te zien op de fotosfeer, waar de temperatuur ‘slechts’

4 000 °C bedraagt: dat zijn zonnevlekken (fig. 1.36).

De chromosfeer is de onderste laag van de atmosfeer van de zon en sluit aan bij de fotosfeer. Door de hoge druk en temperatuur kan er zonnematerie vanuit de chromosfeer de ruimte in worden geslingerd: dat noemen we protuberansen (fig. 1.38). Die zijn lusvormig doordat de zwaartekracht van de zon de zonnematerie terug naar de zon toetrekt. De zonnevlekken zijn de in- en uitgangen van de zonnevlammen.

Zonnewind is de stroom van geladen deeltjes of zonnematerie die ontsnapt van het oppervlak van de zon. Gelukkig voorkomt het aardmagnetisch veld dat die deeltjes op aarde terechtkomen en schade aanrichten.

Bij een totale zoneclips wordt de corona (fig. 1.39) zichtbaar. Dat is het buitenste deel van de zonneatmosfeer en ze bestaat uit een gloed van hete en ijle gassen die een helderwitte kleur hebben.

De zon doorloopt een elfjarige cyclus van zonneactiviteit: de zonnecyclus. Tijdens die cyclus neemt het aantal zonnevlekken eerst toe en daarna weer af. Tijdens een periode van grote activiteit, het zonnemaximum, zijn er veel zonnevlekken en bijgevolg veel protuberansen. Dat betekent dat er meer deeltjes via de zonnewind onze richting uitkomen en er meer kans is op poollicht en zonnestormen. Perioden met weinig zonnevlekken worden zonneminima genoemd.

2.3 PLANETEN IN ONS ZONNESTELSEL

Een planetenstelsel bestaat uit een ster (of meerdere sterren) en de planeten die eromheen draaien. Ons eigen planetenstelsel wordt het zonnestelsel genoemd en bevat heel veel objecten die variëren in grootte. Er zijn drie voorwaarden om van een planeet te spreken: het object draait in een baan om de zon, het moet voldoende massa hebben om door de eigen zwaartekracht een bolvorm aan te nemen en het heeft het puin in zijn baan opgeruimd. Dwergplaneten draaien rond de zon en zijn rond, maar ze hebben hun baan niet opgeruimd. Manen zijn hemellichamen die in een baan rond een planeet draaien. Planeten hebben geen, één of meerdere manen.

De planeten Mercurius, Venus, Aarde en Mars zijn terrestrische planeten met een vast oppervlak waarop je kunt staan. Deze aardse planeten met een steenachtige samenstelling zijn ontstaan in de buurt van de zon. De intense warmte van de zon en de invloed van de zonnewind, een stroom van geladen deeltjes die ontsnapt van het oppervlak van de zon, hebben ervoor gezorgd dat de vluchtige stoffen grotendeels zijn verdampt. Daardoor bevatten deze planeten een groter aandeel vaste stoffen dan de planeten in het buitenste deel van ons zonnestelsel. De aardse planeten hebben weinig of geen natuurlijke manen. Onze aarde heeft er één: de maan. De planeten Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus zijn gasreuzen zonder vast oppervlak. Ze worden ook wel Joviaanse planeten genoemd. De gasreuzen zijn ontstaan bij een lagere temperatuur. Ze hebben veel natuurlijke satellieten. Voor de planeten geldt: hoe verder van de zon, hoe groter de omlooptijd. De rotatietijd (tijd waarin ze om de eigen as draaien) verschilt sterk per planeet.

Planeten stralen zelf geen licht uit. We kunnen ze enkel waarnemen doordat ze het licht van de zon weerkaatsen. Als je in de tabel de temperatuur van de verschillende planeten bekijkt, zie je dat Mars de enige planeet is die in theorie bewoonbaar zou kunnen zijn. De atmosfeer op Mars is echter veel te ijl (100 keer ijler dan op aarde) en bovendien duurt een reis naar Mars wel 6 tot 8 maanden.

In april 2023 werd de Jupiter Icy Moons Explorer (zie 2.3.2 in hoofdstuk 1) gelanceerd voor een missie naar de grootste manen van Jupiter: Io, Europa, Ganimedes en Callisto. Het doel van die missie is het opsporen van aanwijzingen voor potentieel leven. De maan Europa heeft een glad oppervlak van ijs, waarvan wetenschappers vermoeden dat er een oceaan van vloeibaar water onder verborgen ligt. Dat maakt de maan Europa tot een van de meest veelbelovende kandidaten in de zoektocht naar buitenaards leven.

Binnen het zonnestelsel neemt onze planeet een unieke plaats in. Ze ligt in de bewoonbare zone van ons zonnestelsel, niet te ver (te koud) of te dicht (te warm) bij de zon. Verder heeft ze de juiste omvang, opbouw en samenstelling en is er water in vloeibare toestand aanwezig. Die kenmerken maken leven op aarde mogelijk.

Ons Zonnestelsel

2.4 PUINGORDELS IN ONS ZONNESTELSEL

Tussen Mars en Jupiter bevindt zich een gordel met brokstukken, planetoïden genaamd. Ceres is één van de grootste. Op 26 januari 2023 passeerde een planetoïde op amper 3 600 km afstand van de aarde.

Voorbij Neptunus bevindt zich de Kuipergordel: een zone tussen 30 en 100 AE met duizenden zeer kleine ijsplaneetjes (ook wel TNO’s of Trans Neptune Objects genoemd). Vier daarvan (Pluto, Makemake, Eris en Haumea) worden ingedeeld bij de dwergplaneten. Dwergplaneten hebben niet genoeg massa om hun baan schoon te maken van andere objecten en bewegen niet in hetzelfde vlak als de aarde rond de zon. Het is goed mogelijk dat er in de toekomst nog meer dwergplaneten in deze gordel ontdekt zullen worden.

De Oortwolk is een bolvormige stofgordel die bestaat uit overblijfselen van de nevel waaruit ons zonnestelsel is ontstaan. Ze bevindt zich op 30 000 AE tot 100 000 AE van de zon.

Je kunt het je voorstellen als een enorme bel met dikke wanden gemaakt van ijzige stukjes ruimtepuin ter grootte van bergen en soms nog groter. Aangezien er nog geen objecten zijn waargenomen in de verre Oortwolk zelf, blijft het voorlopig een theoretisch concept.

Buiten de zon en de planeten zijn er nog andere objecten in ons zonnestelsel die we kunnen waarnemen met het blote oog of een telescoop. Kometen en meteoroïden zijn de buitenbeentjes in het zonnestelsel.

In de bovenste lagen van de atmosfeer worden vooral in de poolgebieden regelmatig intense lichtverschijnselen waargenomen die poollicht (aurora borealis) genoemd worden. Dat oplichten van de ionosfeer is vergelijkbaar met een tl-buis of neonreclame die licht uitstraalt als er stroom op wordt gezet. De elektriciteit die het poollicht veroorzaakt, is afkomstig van de zon. Het zijn elektronen en protonen die met de zonnewinden worden meegevoerd, door het magnetisch veld van de aarde opgevangen worden en zo in de atmosfeer terechtkomen. Bij dat proces van magnetische afbuiging op zeer grote hoogte boven het aardoppervlak, worden de zonnedeeltjes nog eens versneld en botsen ze met hoge energie op de losse zuurstof- en stikstofatomen en -ionen die hoog in de atmosfeer rondzwerven.

magnetisch veld

Elektrisch geladen deeltjes van de zon reageren met zuurstof en stikstof van de atmosfeer rode en groene kleuren poollicht

De energie die de luchtdeeltjes bij die botsingen ontvangen, stralen ze even later weer uit als zichtbaar licht. Zuurstof geeft daarbij groen en rood licht en stikstof meestal roze en blauwviolet licht. Er is ook poollicht waargenomen bij Jupiter, Saturnus, Venus en Mars en ook bij sommige van hun manen.

Meteoroïden zijn brokstukken die afkomstig zijn van kometen of planetoïden en door de ruimte zweven. Ze variëren in grootte, van stofdeeltjes tot kilometersdikke objecten, en bestaan uit vast gesteente of ijzer. Wanneer meteoroïden de dampkring binnendringen, ontstaan meteoren, beter bekend als ‘vallende sterren’, doordat ze verschroeien door de wrijving met de luchtdeeltjes.

Een meteoriet is een meteoroïde die niet volledig verschroeid is in de atmosfeer en het aardoppervlak bereikt. Sommige meteorieten verdampen door de enorme kracht van de inslag, maar andere kunnen wel degelijk teruggevonden worden. Door de enorme impact van de inslag kan een inslagkrater ontstaan. De bekendste is wellicht de Chicxulubkrater in de Golf van Mexico, die het gevolg is van de meteoriet die zo’n 66 miljoen jaar geleden het einde betekende van het tijdperk van de dinosauriërs. De maan en Mercurius hebben veel inslagkraters doordat ze geen beschermende dampkring hebben.

Kometen verschijnen als een ‘staartster’ aan de hemel. De kern, 1 tot 10 km groot, bestaat uit ijs en stof, ook wel ‘vuile sneeuwbal’ genaamd. Kometen volgen een baan rond de zon die hen vrij dicht bij de zon brengt. Wanneer de komeet dicht bij de zon is, sublimeert het ijs. Daardoor ontstaat een wolk van gas en stof die zich uitstrekt tot 1 miljoen km rond de kern: de coma. Het meest opvallende deel van de komeet is de staart. Kometen hebben twee staarten: een witgele stofstaart doordat de stofdeeltjes het zonlicht weerkaatsen en een blauwe plasmastaart die bestaat uit geladen deeltjes die door de zonnewind worden weggeblazen. De staart kan tot 150 miljoen kilometer lang zijn. Door de zonnewind is de staart altijd weggericht van de zon.

De Kuipergordel is de bron voor kometen met een korte omlooptijd rond de zon. Kometen met een langere omlooptijd zijn vermoedelijk afkomstig uit de Oortwolk.

Doordat komeetbanen kriskras tussen de banen van de planeten lopen, trekt de aardbaan vaak door de staart van een komeet. Het stof blijft in langgerekte sporen de baan van de komeet volgen. Wanneer een planeet door zo’n stofspoor trekt, komen de stofdeeltjes, meteoroïden genaamd, op die planeet terecht. Bij de aarde (en andere planeten die door een dampkring beschermd worden) verschijnen ze onder de vorm van meteoren, in de volksmond ‘vallende sterren’ genoemd. Aangezien het hier om een hele stofwolk gaat die de atmosfeer binnenkomt en verdampt, spreken we van een meteorenzwerm. De bekendste jaarlijks terugkerende voorbeelden zijn de Perseïden, die midden augustus uit het sterrenbeeld Perseus lijken te vallen, en de Leoniden, die midden november uit het sterrenbeeld Leo of Leeuw lijken te vallen.

3 De Opbouw Van Het Heelal

3.1 STERRENSTELSELS OF GALAXIEËN

3.1.1 SOORTEN STERRENSTELSELS OF GALAXIEËN

Een sterrenstelsel of galaxie is een groep van sterren die relatief dicht bij elkaar staan en door de zwaartekracht bijeengehouden worden. Ons eigen sterrenstelsel, waartoe ook onze zon behoort, wordt het Melkwegstelsel genoemd. Wanneer we naar de hemel kijken, zien we een band van licht die we de Melkweg noemen. Dat is eigenlijk de projectie van het Melkwegstelsel op de hemelkoepel.

Astronomen delen de galaxieën in drie hoofdtypes in:

- Elliptische stelsels worden aangeduid met de letter E, gevolgd door een cijfer dat de mate van afplatting aangeeft. Een nul staat voor een vrijwel rond stelsel, terwijl zeven wijst op een sterke afplatting. Tegenwoordig gaat men ervan uit dat elliptische stelsels ontstaan door kleinere sterrenstelsels op te slokken.

- Spiraalstelsels worden verdeeld in gewone spiralen (aangeduid met S) en balkspiralen (aangeduid met SB). Dat onderscheid wordt gemaakt op basis van het punt waaruit de spiraalarmen ontspringen: ofwel vanuit een ronde kern (gewone spiralen), ofwel vanuit de uiteinden van een centrale balk (balkspiralen). De kleine letters (a, b, c) geven de grootte van de kernen aan (a: grote kern - c: kleine kern) en daarmee meteen ook de mate van opwinding van de spiraalarmen rond de kern (a: sterk opgewonden - c: zeer los).

- Onregelmatige stelsels bestaan uit een vrij chaotische verzameling sterren, waarbij geen duidelijke ellips- of spiraalstructuur zichtbaar is.

3.1.2 HET MELKWEGSTELSEL

De vorm van ons Melkwegstelsel is onderwerp van discussie en onderzoek. In het verleden werd aangenomen dat het Melkwegstelsel een normaal spiraalstelsel was. Na nieuwe waarnemingen gaat men er tegenwoordig steeds meer van uit dat we ons eigenlijk in een balkspiraalstelsel bevinden.

Er zijn naar schatting tussen de 100 miljard en 400 miljard sterren in het Melkwegstelsel. Er zijn uiteraard ook talloze planeten gevormd tijdens het ontstaan van deze sterren.

Het Melkwegstelsel heeft een diameter van ongeveer 100 000 lichtjaar en een dikte van ongeveer 20 000 lichtjaar. Onze zon bevindt zich in één van de spiraalarmen van het Melkwegstelsel, namelijk de Orionarm, en ze staat ongeveer 27 400 lichtjaar verwijderd van het centrum van het Melkwegstelsel.

Net zoals planeten rond een ster draaien, draaien sterrenstelsels rond hun kern. Onze zon draait met een snelheid van ongeveer 210 km/sec om het centrum van het Melkwegstelsel. Het duurt ongeveer 225 miljoen jaar voordat de zon een volledige omloop om het centrum heeft voltooid.