Praatje voor het JWG-winterkamp 2015. Vier serieuze hoofdstukken (over ontstaan en toekomst van het heelal en de zon), met een minder serieus slotstuk.

1. Waar gaat het heen met het heelal?
Gezellige doemscenario’s voor de
feestdagen
Marcel Vonk
Winterkamp JWG
27 december 2015

2. 2/57
Inhoud
1. Het heelal – waar komt het vandaan?
2. Het heelal – waar gaat het naartoe?
3. De zon – waar komt ‘ie vandaan?
4. De zon – waar gaat ‘ie naartoe?
5. Maar…

3. 1. Het heelal – waar komt het vandaan?

4. 4/57
Is het heelal oneindig?
Op het eerste gezicht lijkt het heelal
onveranderlijk en onbegrensd.
Het lijkt een logische conclusie dat
het heelal statisch en oneindig is.

5. 5/57
Is het heelal oneindig?
Toch kunnen we vrij eenvoudig inzien
dat dit niet het geval kan zijn.
Newton (17e eeuw):
een oneindig heelal
is instabiel; stort in
onder zijn eigen
zwaartekracht.

6. 6/57
Is het heelal oneindig?
Een heel ander argument met
dezelfde conclusie:
Olbers (1823): in een
oneindig heelal zou
de hemel ’s nachts
niet donker zijn.
BORD

7. 7/57
Maar hoe zit het dan?
Edwin Hubble ontdekte in
1929 dat ver gelegen
sterrenstelsels van ons af
bewegen.
Hij maakte hier-
voor gebruik van
het bekende
Doppler-effect.

8. 8/57
Maar hoe zit het dan?
Hubble onderzocht het
Doppler-effect in het
spectrum van verre
sterrenstelsels

9. 9/57
Maar hoe zit het dan?
Hoe verder een stelsel weg staat,
hoe sneller het van ons af beweegt.
Tweemaal zo ver, tweemaal zo snel.

10. 10/57
Maar hoe zit het dan?
Conclusie: alle materie in het heelal
was op een bepaald moment in het
verleden op dezelfde plek.
Oerknal!

11. 11/57
Maar hoe zit het dan?
We weten nu (2015) dat het heelal
13.798 ± 0.037 miljard jaar oud is.
(2012: 13.73 ± 0.12)
(2013: 13.78 ± 0.06)
Het heelal begon
heel heet en
dicht.

12. 2. Het heelal – waar gaat het naartoe?

13. 13/57
Blijft het heelal uitdijen?
Geen eenvoudige vraag; om het
antwoord exact te berekenen is de
algemene relativiteitstheorie nodig.

14. 14/57
Blijft het heelal uitdijen?
De korte samenvatting: eeuwig
uitdijen of niet hangt af van de
dichtheid van het heelal.

15. 15/57
Kies je favoriete optie…
1. Het heelal is zwaar genoeg om
uiteindelijk weer in te storten.
(‘Big Crunch’)

16. 16/57
Kies je favoriete optie…
2. Het heelal blijft voor eeuwig uitdijen
en wordt steeds kouder en leger.

17. 17/57
Kies je favoriete optie…
3. Het heelal dijt uit, remt steeds
verder af, maar stort nooit weer in.

18. 18/57
Kies je favoriete optie…
Op dit moment lijkt het erop dat we
vlak bij de grens zitten, maar dat het
heelal toch (en zelfs versneld) blijft
uitdijen.

19. 19/57
Een onzekere toekomst
Geen idee of het heelal altijd blijft
versnellen. Elk scenario heeft zijn
nadelen, maar de eerstkomende
duizenden miljarden jaren is er nog
geen probleem.

20. 3. De zon – waar komt ‘ie vandaan?

21. 21/57
Structuurvorming
Hoe komen we vanuit de “oersoep”
uiteindelijk terecht in een heelal vol
structuur?

22. 22/57
Structuurvorming
Zwaartekracht doet dingen samen-
klonteren!
Zwakke kracht, maar gedurende lange
tijd!

23. 23/57
Structuurvorming
Een animatie van de structuurvorming
in het heelal:

24. 24/57
Structuurvorming
Vorming van de filamenten:

25. 25/57
Structuurvorming
Vorming van groepen sterrenstelsels:

26. 26/57
Structuurvorming
Het resultaat is een soort “fractal” van
structuur.

27. 27/57
Structuurvorming
Het resultaat is een soort “fractal” van
structuur.
• Superclusters
• Clusters
• Sterrenstelsels
• Sterren

28. 28/57
Structuurvorming
De laatste stap is het interessantst: op
een gegeven moment ontstaan
opeenhopingen van gas die weer erg
heet worden: sterren!

29. 29/57
Nucleosynthese in sterren
Als een gaswolk samentrekt tot een
ster gebeurt precies het omgekeerde
van wat na de oerknal plaatsvindt.
Het gas wordt steeds heter en dichter;
atomen worden uiteengeslagen, enz.

30. 30/57
Nucleosynthese in sterren
Uiteindelijk gaat er in de ster kernfusie
plaatsvinden: protonen worden
“samengeperst” tot een heliumkern.
Hierbij komt
energie vrij!

31. 31/57
Nucleosynthese in sterren
De vrijkomende energie en de
inwaartse druk van de zwaartekracht
heffen elkaar op: de ster wordt stabiel.

32. 4. De zon – waar gaat ‘ie naartoe?

33. 33/57
Het lot van zware sterren
Als de brandstof op is, trekken zware
sterren trekken verder samen, waarna
de temperatuur hoog genoeg wordt om
koolstof te maken.

34. 34/57
Het lot van zware sterren
Als de koolstof op is, en de ster is
zwaar genoeg, wordt overgegaan op
zuurstoffusie – enzovoort.

35. 35/57
Het lot van zware sterren
Dit proces gaat door tot de kern uit
ijzer bestaat.

36. 36/57
Het lot van zware sterren
Als de ster dit stadium bereikt ontploft
hij in een enorme supernova.
Hierbij worden allerlei elementen de
ruimte in geslingerd, waaruit weer
nieuwe sterren kunnen ontstaan.

37. 37/57
Het lot van zware sterren
Onze eigen zon is zo’n “tweede-
generatiester”. Vandaar dat ons
planetenstelsel veel zware elementen
bevat!

38. 38/57
Het lot van de zon
De zon brandt zo’n 10 miljard jaar op
waterstof, maar is niet zwaar genoeg
om daarna koolstof te maken.
.

39. 39/57
Het lot van de zon
De kern stort in onder zijn eigen
gewicht, maar daarbij komt er meer
(heet) waterstof in de buitenlagen.
.

40. 40/57
Rode reuzen
De buitenlagen worden heter en
zwellen op: rode reus!
Zon: vrijwel zo groot als de aardbaan.

41. 41/57
Witte dwergen
De buitenlagen koelen af; metalen en
silicaten worden vast en deze
korreltjes nemen de buitenlagen mee
naar buiten.
Witte dwerg + planetaire nevel!

42. 42/57
Planetaire nevels
Raadsel: waarom hebben sommige
planetaire nevels een voorkeurs-
richting? Onbekend!

43. 43/57
En wij?
Leven rond een rode reus of witte
dwerg is vrijwel onmogelijk.
Gelukkig hebben we nog 5 miljard jaar!

44. 5. Maar…

45. 45/57
De nieuwste resultaten
Een recente berekening van de
wiskundige W. Hunting toont aan dat
het probleem wel eens urgenter zou
kunnen zijn dan we dachten…

46. 46/57
De nieuwste resultaten
Het bewijs van Hunting valt met
elementaire algebra uit te leggen.
Noem de tijd die de zon al geleefd
heeft 5 mld x en de tijd die de zon nog
te leven heeft 5 mld y.

47. 47/57
De nieuwste resultaten
De zon is nu op de helft van zijn leven
(x en y zijn ongeveer 1):
5 mld x = 5 mld y

48. 48/57
De nieuwste resultaten
Vermenigvuldig met x:
5 mld x2 = 5 mld xy
5 mld x = 5 mld y

49. 49/57
De nieuwste resultaten
Tel bij het totaal 5 mld x2 op:
5 mld (x2+x2) = 5 mld (x2+xy)
5 mld x2 = 5 mld xy

50. 50/57
De nieuwste resultaten
Werk links de haakjes uit:
10 mld x2 = 5 mld (x2+xy)
5 mld (x2+x2) = 5 mld (x2+xy)

51. 51/57
De nieuwste resultaten
Trek links en rechts 10 mld xy af:
10 mld (x2-xy) = 5 mld (x2+xy-2xy)
10 mld x2 = 5 mld (x2+xy)

52. 52/57
De nieuwste resultaten
Verzamel rechts gelijke termen:
10 mld (x2-xy) = 5 mld (x2-xy)
10 mld (x2-xy) = 5 mld (x2+xy-2xy)

53. 53/57
De nieuwste resultaten
Streep de gelijke factoren weg:
10 mld = 5 mld
10 mld (x2-xy) = 5 mld (x2-xy)

54. 54/57
De nieuwste resultaten
Conclusie:
Hoewel we denken dat de zon 10
miljard jaar oud kan worden, is dat in
werkelijkheid maar 5 miljard jaar!
10 mld = 5 mld

55. 55/57
Dus…
De zon nadert het eind van zijn leven,
en wordt nu al een rode reus!
(Vandaar dat het buiten zo warm is…)

56. 56/57
Dus…
Eén van de gevolgen: veel gevaarlijke
straling. Met speciale beschermende
brillen valt dit gelukkig nog mee.

57. 57/57
Aan de slag!
Ik ben maar een theoreet, dus vanaf
hier neemt de meer praktisch
ingestelde kampleiding het van me
over.