Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 7, 2014-09-29 Bengt Edvardsson Med fler detaljer än på föreläsningen, speciellt om planeterna I slutet av föreläsningsanteckningar nr 6 diskuterades supernovor av Typ II (kärnkollapssupernovor) vilka inträffar när järnkärnan i en utbränd massiv stjärna >8-10 M! kollapsar och kastar ut stjärnans ytterlager. Eftersom massiva stjärnor lever mycket korta liv och dör i närheten av de gasrika plaster där de bildas uppträder de nästan alltid i spiralgalaxers spiralarmar. Detta skiljer dem från den andra huvudtypen av supernovor, SN Ia, som beskrivs härnäst uppstår från lätta eller medeltunga stjärnor med långa livstider som har hunnit långt från sina födelsemoln. De kan uppträda i vilka galaxer som helst, ofta långt från gas- och stoftmoln. Supernovor Typ Ia Kan uppkomma i dubbelstjärnesystem med lätta och medeltunga stjärnor. I ett dubbelstjärnesystem blir den mer massiva stjärnan en först en röd jätte och sedan en vit dvärg (träder fram först i centrum av en planetarisk nebulosa) för att senare börja växa i massa när kompanjonen når asymptotiska jättegrenen, sväller upp och dumpar gas på den vita dvärgens yta, se bild 7.8. Vid uppnådd Chandrasekharmassa 1,44 MSol blir den vita dvärgen instabil och exploderar som en kol-syre-fusionsbomb. SN Ia bildar till exempel det mesta av järnet i universum. De är fantastiska standardljuskällor med absolutmagnituder som varierar bara ca 10%. Eftersom de också är så extremt ljusa är det våra bästa avståndsmätare på riktigt stora avstånd i universum. En konkurrerande ide är att det kan röra sig om två sammansmältande vita dvärgar som exploderar År 2011 får användningen av Supernovor av typ Ia Nobelpriset i fysik för upptäckten att universums expansion accelererar. (För detaljer se http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/popular.html klicka på Populärvetenskaplig information: Skrivet i stjärnorna (OK 2014-10-01) och länken Populärvetenskaplig information ) 1
Benämningarna Typ I och Typ II: Det karakteristikum som från början orsakat supernovornas olika namn, Typ I och II, är att SN I saknar emissionslinjer av väte i sina spektra medan SN II har starka väteemissionslinjer. Namnen gavs långt innan man visste något om vad som orsakade dem (man trodde nog att det var stjärnutbrott, men visste inget om detaljerna). Variabla stjärnor, eller variabler (sid. 163) Många stjärnor kan ändra ljusstyrka, se bild sid 164. Det kan ske av olika skäl, t ex p.g.a. att deras radie ändras. De har lärt oss mycket om stjärnornas egenskaper, t ex om deras inre byggnad. Tre vanliga typer av regelbundna variabler är: 1) Cepheidvariabler (uttalas seffeiid): Relativt massiva stjärnor som ändrar ljusstyrka med regelbunden period, ju längre period desto ljusare (dvs. lägre absolutmagnitud). Perioder typiskt några 10-tal dygn. Luminositeter 100 20000 L!. Den först upptäckta (1784) heter δ Cephei, vilket gett klassen dess namn. Fig. 6.24 visar en mycket användbar egenskap hos Cepheiderna: Deras luminositet är väl korrelerad med perioden, d v s om man bara mäter deras period så får man ur diagrammet ut luminositeten (och absolutmagnituden). Med uppmätt (apparent) magnitud och avståndsformeln trillar då avståndet ut, se sid 3. Varför ändrar cepheidvariablerna ljusstyrka? Har att göra med jonisation och rekombination av helium (He) som fungerar som en ventil. Teorin framfördes av Eddington (1941) och modifierades av Cox på 1960-talet. Scenario: En tät stjärnatmosfär ganska ogenomskinlig för ljus temperaturen stiger helium joniseras fler partiklar i atmosfären trycket ökar atmosfären trycks utåt ljuset slipper ut temperaturen sjunker helium rekombinerar trycket sjunker atmosfären faller tillbaka och alltihop börjar om på nytt variabel radie, färg och ljusstyrka. 2) Långperiodiska variabler eller Mira-variabler: Svala röda jättar som inte ändrar yttemperatur nämnvärt med hög 2
luminositet (1000-10 000 L!). Perioder 100-500 dygn. Den först upptäckta (1596) heter Mira, en M7 III som ibland inte syns för blotta ögat. 3) RR Lyraevariabler: Lågmassiva horisontalgrensstjärnor (har heliumförbränning i centrum, väteförbränning i ett skal omkring). Perioder några timmar, luminositeter på ca 100 L!. De har alla ungefär samma luminositeter, d v s absolutmagnituder, M, och används därför för avståndsbestämningar med avståndsformeln: se sid 3. Den kosmiska avståndsskalan (sid. 55) RR Lyraestjärnor och Cepheider bygger vidare på stegen av avståndsbestämningar i Universum som börjar med parallaxer ( lantmäteri ) för de närmaste stjärnorna. Bild 6.22 (saknar en tidsskala i underkanten, för Cepheider typiskt några tiotal dygn, RR Lyrae några timmar), och 6.24 visar principen: Vid teleskopet observerar man stjärnan många gånger och mäter noga magnituder m i olika band färger, t ex U, B och V. Perioden (=tiden mellan 2 maxima, se bild 6.22) visar absolutmagnituden M (luminositeten) (läses i princip från bild 6.24). Apparenta medelmagnituden m fås också ur mätningarna till 6.22. Avståndsformeln: m M = 5 log r 5 + a (extinktionen a måste ju också tas hänsyn till om det finns stoft i vägen). Oregelbundna och kataklysmiska variabler Många variabeltyper varierar oregelbundet, t ex med eruptioner. Långperiodiska variabler är AGB-stjärnor eller röda superjättar med perioder på månader eller år och många av dem varierar oregelbundet. Novor är vita dvärgar i dubbelstjärnesystem där den stora jättestjärnan tappar material (mest väte) ner på den mycket heta vita dvärgen. När tillräckligt mycket väte samlats på ytan kan vätet explodera ( vätebomb ) och stjärnan flammar plötsligt upp enormt. (I vissa fall, om massan uppgår till 1,44 solmassor, kan resultatet i stället bli en supernova av typ Ia.) Supernovor av typ Ia och II är också kataklysmiska variabler. Förmörkelsevariabler 3
Dubbelstjärnor kan ibland ligga i rymden så att de från jorden ses omväxlande förmörka varandra, helt eller delvis. Det ger en karakteristisk form på hur ljusstyrkan varierar med omväxlande större och mindre försvagningar av ljusstyrkan beroende på om den större stjärnan är framför eller bakom den mindre. De är mycket användbara för att lära oss om stjärnornas massor. (Det är svårt att bestämma massan för en ensam stjärna.) Även små planeter kan upptäckas genom att de minskar stjärnans ljusstyrka en aning när de kommer i vägen. Stjärnor kan också ha fläckar på ytan (t ex solen) som ändrar stjärnans apparenta magnitud. För den som vill läsa mer finns en artikel om Variabla stjärnor på svenska Wikipedia Planeternas rörelser (sid. 61) Planeterna och alla andra kroppar i solsystemet rör sig i solens tyngdkraftsfält Keplers tre lagar (början av 1600-talet, sid. 62): 1. En planets bana runt Solen är en ellips med Solen i ena brännpunkten (fokus) 2. En linje som sammanbinder Solen med en planet sveper över lika stora ytor på lika tider 3. Kvadraterna på en planets omloppstid (P) runt Solen förhåller sig som kuberna på medelavståndet (a) d v s P2 a3 Keplers andra lag säger att det tar lika lång tid för en himlakropp att röra sig från 1 till 2 som från 3 till 4 (bild sid. 62). Detta är speciellt tydligt för kometer som har banor med stor excentricitet (e). Hastigheten i banan är störst nära Solen. Totala energin (lägesenergi+rörelseenergi) är konstant: Lägesenergin ökar ju längre från solen planeten är och rörelseenergin ökar 4
med planetens fart. * Nära solen liten lägesenergi (potentiell energi) och stor hastighet (kinetisk energi, rörelseenergi) * Långt från solen stor lägesenergi (potentiell energi) och liten hastighet (kinetisk energi) Förklaringen till planeternas rörelser kom först ca 70 år senare ned Newtons gravitationslag (från 1687). Den anger den kraft som verkar mellan två kroppar och uttrycks F=G M m / r2 där m och M är massorna och r är avståndet mellan kropparna. G är Newtons gravitationskonstant. För att helt kunna beskriva en himlakropps bana i solsystemet krävs att sex s.k. banelement är kända. De tre mest kända är: a= Medelavståndet (banellipsens halva storaxel) e= Excentriciteten (e= 0 anger en cirkulär bana, e= 1 en parabel, typisk för en del kometer) i= Inklinationen (banans lutning mot ekliptikan, jordens banplan) (Dessutom ett par andra vinklar samt tidpunkten för en periheliepassage) Keplers 3e lag (se ovan) beskriver hur planeternas omloppstider (deras år) blir mycket längre om de rör sig långt från solen. Vårt planetsystems uppkomst (sid. 57) Gravitationen började dra samman ett kallt interstellärt molekylmoln i Vintergatans skiva för ca 4,6 miljarder år sedan. Universum var då 2/3 av nuvarande ålder. Sammansättning: H 90%, He 10% och <1% metaller i form av stoftpartiklar, ispartiklar och molekyler. Metaller är i astronomin allt utom väte och helium. P g a rörelsemängdsmomentets bevarande (piruetteffekten), plattades ytterdelarna av det roterande molnet av under kontraktionen. Rotationen ökade, snabbast rotation närmast centrum 5
Gravitationell energi omvandlades till termisk energi, temperaturen i centrum (den blivande Solen) steg successivt till flera miljoner Kelvin. Föreläsning 5 handlade om hur stjärnan i centrum utvecklades. Här ligger fokus på vad som händer i skivan: Densitet och tryck var låga i den protoplanetära skivan. Observerade proplyder finns på bild 8.7, sid. 195 Vid tillräckligt lågt tryck kan ett ämne inte existera i flytande form (bara som fast ämne eller i gasform), det hänger på ämnets kondensationstemperatur. För vatten, metan och ammoniak är den 100-300 K. Mineraler ligger på 1300-1600 K Skivans temperatur var ca 50 K, (nära protosolen var dock temperaturen ca 2000 K). De flesta ämnen i den kalla skivan utom väte, kväve samt helium och andra ädelgaser var i fast form I de centrala delarna kunde endast ämnen med höga kondensationstemperaturer förbli i fast form, alla andra förångades och hade svårt att samlas ihop, gasformiga ämnen har ett tryck som ökar med temperaturen och kunde lätt skjutas längre bort från solen av solvind och intensiv soluppvärmning I de yttre delarna kunde flyktiga ämnen lätt kondenseras och bilda is på de stoftkorn som fanns. Detta underlättade och snabbade upp uppbyggnaden av stora planetembryon vilka så småningom drog till sig mycket gas. Is- och stoftkorn i skivan (bild 3.6) Den här typen av isiga korn fanns i den protoplanetära skivan. De består av många interstellära stoftkorn (sådana som ger upphov till extinktion och reflektionsnebulosor) som klumpats ihop när de fått is-mantlar i det kalla molnet. Klustret på bilden (som fångats upp av en interplanetär rymdsond) har en storlek av ca 10 mikrometer (1/100 mm) Efter någon miljon år hade stoftkornen slagit sig samman i det inre och bildat kilometerstora objekt, planetesimaler Dessa kolliderade och byggde upp ännu större kroppar 6
Efter några 10-tal miljoner år hade fyra eller fem inre planeter skapats. (Nya rön tyder dock på att planetbildningen kan ha gått mycket fortare och att många protoplaneter kan ha fallit in i Solen) Det som skulle bli Jorden kolliderade och sammansmälte med en av de andra av ungefär Mars storlek, en del av det losslitna materialet blev Månen De 4 inre planeterna, jordgruppen, (sid. 86) Merkurius och Venus visar faser precis som Månen (bild 3.42) Eftersom de två planeterna ligger innanför jordens bana ligger de alltid nära Solen och syns antingen efter solnedgången eller före gryningen, aldrig mitt i natten. Venus är den ljusaste planeten och kallas omväxlande för morgonstjärna eller aftonstjärna beroende på vilken sida om solen den står. Merkurius har ingen atmosfär och ytan är liksom Månens full av nedslagskratrar vilka inte kan eroderas bort av vind och vatten. Radarbilder (i falska färger) av Venus yta, (bilder 3.52 och 3.54) Venus är helt molntäckt och ser jämnt vit ut i synligt ljus Växthuseffekten gör yttemperaturen är ca 460 ºC. Kolet (i form av koldioxid) finns i atmosfären i st f i berggrunden som på jorden Venus har fått besök av vetenskapliga landare och satelliter Venus har en mycket långsam retrograd rotation Jorden + Månen = dubbelplanet (bild 3.57) Månen bildades av rester från en kollision i det unga solsystemet mellan den unga Jorden och en planet av ungefär Mars storlek Månens massa är mer lik Jordens än någon annan planetsatellit sin egen planets Jordens inre är smält, värme tillförs av radioaktivt sönderfall av tunga atomer som bildats i tidigare stjärngenerationer och som fanns med i solnebulosan Jorden är bra att ha i närheten när man är människa Räknas ofta som en dubbelplanet eftersom månen väger så mycket: 1/81 eller 1,2% av jordens massa. Månen ligger ca 60 jordradier från jorden. 7
Tillsammans betyder det att deras gemensamma tyngdpunkt ligger ca 1650 km under jordytan, och att de dansar snoa tillsammans runt denna punkt Kollisionen som skapade Månen slog mest ut material från Jordens mantel. Månen har därför bara en liten järnkärna Tidvatten Månens gravitationsfält attraherar mest den sida av jorden som är vänd mot månen och drar upp en tidvattenvåg som flyttar sig runt över oceanerna när jorden snurrar runt varje dygn. På motsatt sida av jorden uppstår också en våg där månens dragningskraft är litet svagare. Tidvattenvågens friktion bromsar jordrotationen en aning och den energin överförs i stället till Månen som sakta flyttar sig längre bort från Jorden. Mars, den röda planeten Mars atmosfär är bara hundradelen så tjock som Jordens och består främst av koldioxid Den röda färgen kommer från järnoxid, rost Den har nu 2 små månar, Phobos och Deimos, troligen infångade asteroider, som kommer att ramla ner så småningom Solsystemets största vulkan Olympus mons finns på mars Dygnet är på 24,6 timmar, kan vara praktiskt för människor som vill dit De 4 yttre planeterna; jätteplaneterna eller gasjättarna (sid. 102) I de yttre delarna av proplyden (skivan runt den nybildade Solen) var temperaturen mycket lägre, och stoftkornen innehöll även flyktiga ämnen som var gasformiga nära solen, de blev därför isigare och klibbigare och de inbördes hastigheterna lägre så att massivare protoplaneter kunde bildas (upp till ca ca 15 jordmassor) Deras större massa drog sedan till sig väte och helium som också fanns kvar där ute och de har därför högre massa men lägre densitet än de inre planeterna Till slut fanns fyra yttre planeter som mestadels består av väte och helium men som har en kärna av tyngre grundämnen Jupiter är störst Massan är 2,5 ggr de andra planeternas tillsammans och 317 ggr jordens 8
Massan är 1/1000 av solens Runt den steniga kärnan är vätet så hoppressat att det är i flytande metallisk form och beter sig som en metall, t ex leder det ström Har stor inverkan på småkroppars banor i solsystemet, fångar t ex ofta in kometer Gallileo upptäckte med sin kikare 4 månar: Europa, Ganymedes, Io & Callisto dem kan du också se med kikare. Ganymedes är solsystemets största måne. Jupiter har också många mindre månar Saturnus med ringarna Saturnus är näst störst av planeterna, 95 jordmassor Ringarna är mycket tunna och består av is och stoftpartiklar i cirkulära Keplerbanor runt planeten. Rätt nyligen upptäcktes en gigantisk yttre ring av stoftpartiklar som syns i infrarött ljus. Se http://www.star.ucl.ac.uk/~apod/apod/ap091013.html (OK 2013-10-08 Brittisk mirror site därför att APOD är borta för närvarande p g a USAs budgetbråk) Den har många månar varav Titan är den största, många återstår att upptäcka Uranus och Neptunus De är mycket lika varandra och har massor på ca 15 jordmassor Uranus polaxel ligger nära ekliptikan. Detta beror troligen på en tidig kollision lik den som bildade Jorden/Månen Metan i atmosfärerna absorberar effektivt rött ljus vilket ger planeterna deras blå färg Småkroppar i solsystemet, (sid 66) De starka gravitationella krafterna från Jupiter skapade troligen asteroiderna och kometerna genom att planetesimalerna i närheten av Jupiters bana stördes under bildningsfasen och aldrig lyckades bygga en planet Kollisioner mellan planetesimaler är troligen orsaken till huvudbältsasteroiderna mellan Mars och Jupiter. Det var för oroligt, någon större planet kunde inte bildas där och inbördes kollisioner skapade asteroiderna. De bråkar än idag med varandra, och mal ner varandra till grus De isiga kometerna bildades bortom Jupiter och många stördes bort från solens omgivning. De bildar nu ett moln av kometer runt hela solsystemet som kallas Oorts moln (efter den Nederländske astronomen Jan Oort). Ibland 9
störs dessa objekt av andra stjärnor och molekylmoln så att de kommer in till planeterna som helt nya kometer. Jupiter kan ibland fånga in dem så att de får nya banor och blir kortperiodiska kometer Asteroidbälten (sid. 67) Huvudbältsasteroider (totalt många 10 000-tals) mellan Mars och Jupiter (gröna prickar), och Trojaner nära Jupiter (röda prickar) (bild 3.15) Huvudbältesasteroiden Ida (23x58 km) och dess måne Dactyl (bilden 3.17) Trojaner är asteroider som rör sig i stabila banor kring Jupiters s.k. Lagrangepunkter, L4 och L5, de finns alltså alltid ca 60 grader framför och bakom Jupiter i dess bana runt solen. (Ibland kallas de som ligger framför Jupiter i banan för Greker) Asteroiden Eros fotograferad från sonden NEAR Shoemaker (bild 3.20). Strax innan den (avsiktligt) kraschlandarde på Eros. Sonden befinner sig på 700 meters höjd. Området är 100 m x 120 m (bild 3.21). Utanför Neptunos bana sträcker sig ett mycket stort område med asteroider: Edgeworth-Kuyper-bältet. Pluto räknas som tillhörande detta Kometer, transneptunska objekt (sid. 78) Kometer bildades av mycket isigt material långt ut i solnebulosans skiva, de brukar beskrivas som smutsiga snöbollar. Isen består mest av vatten kolsyra och metan och smutsen av interstellärt stoft som blev över i planetbildningen De finns i stora mängder utanför Neptunus och i ett enormt moln runt hela solsystemet: Oorts moln, ut till 100 000 AE (ett drygt ljusår) från Solen. När de ibland störs i sina banor av stjärnor i närheten och kommer nära Solen förgasas isen p.g.a. den högre temperaturen och ytmaterial skjuts ut i rymden. Detta ser vi som svansar Kometsvansarna pekar alltid bort från solen, den snabba solvinden stormar och drar dem med sig Kometen Hale-Bopp och meteor, våren 1997, fotograferad av Johan Warell 10
visar både stoft- (gul) och plasmasvans (blå), (bild 3.36). Kometens 2 svansar, plasmasvans och stoftsvans (sid. 79) Plasmasvansen består främst av atomer och molekyler som joniserats av solens UV-strålning. Solvinden som strömmar genom solsystemet gör att den pekar rakt ut från Solen. Svansen går alltså först när kometen passerat Solen och är på väg utåt. Solvinden rör sig mycket snabbare än kometen. Plasmasvansen visar ett emissionslinjespektrum i princip är det en liten emissionsnebulosa Stoftsvansen består dels av tyngre stoftpartiklar med egna banor i solsystemet. Mindre stoftpartiklar påverkas av strålningstrycket från solen. Stoftsvansen är något böjd. Stoftsvansen visar solens spektrum (stoftkornen reflekterar solljuset). Med tiden dunstar kometens is bort och gruskorn sprids längs hela banan. Kometen blir inaktiv och liknar mycket en asteroid Komet Halleys kärna (8x8x16 km) från rymdsonden Giotto (bild 3.31) Kometer är ömtåliga Kometer är väldigt löst sammanhållna, ungefär som flygande is- och grushögar Kometen Shoemaker - Levy 9 (bild 3.32) splittrades i mindre fragment p g a tidvattenkrafterna från Jupiter. Kolliderade med Jupiter följande varv, juli 1994. Se http://en.wikipedia.org/wiki/comet_shoemaker%e2%80%93levy_9 (OK 2014-10-01). Nu befinner sig den Europeiska rymdsonden Rosetta vid kometen Churyumov-Gerasimenko och tar fantastiska bilder, se: http://apod.nasa.gov/apod/ap140915.html (Kollad OK 2014-10-01) Den ska sända ner en landare i november http://www.esa.int/our_activities/space_science/rosetta/the_rosetta_la nder Varför är Pluto ingen planet? (sid. 75) Neptunus dominerar solsystemet på detta avstånd från Solen Plutos bana korsar Neptunus bana och lutar 17o mot ekliptikan 11
Pluto är liten: 0,2% av Jordens massa! Pluto har minst 3 månar Eris (2003 UB313) ute i Edgeworth-Kuyperbältet är större än Pluto Pluto är antagligen en av Neptunus infångad jättekomet och räknas som ett transneptunskt objekt (ca 1000 st kända) Pluto kallas idag en dvärgplanet (liksom Ceres och Eris) År 2008 bestämde IAU, Internationella astronomiska unionen, att dvärgplaneter som finns utanför Neptunus bana ska kallas plutoider Meteoroider, meteorer och meteoriter I hela solsystemets skiva finns stora mängder av grus : splitter från asteroidkollisioner och stoft från kometsvansar. Dessa kallas meteoroider och kan inte observeras individuellt eftersom de är så små. Ibland kan man när det är helt mörkt efter solnedgången eller före soluppgången se detta som en svag ljuspelare över horisonten längs ekliptikan vilket kallas Zodiakalljuset (eftersom det ligger i zodiaken, zonen där solen och planeterna rör sig på himlen) Dessa meteoroider krockar ibland med jorden och brinner upp i jordatmosfären i form av sekundsnabba skarpa streck över natthimlen: meteorer eller stjärnfall. Om meteoren är så stor att den inte helt brinner upp utan landar på marken kallas den en meteorit. Dessa är samlarobjekt och kan vara mycket dyra. De är också av stort intresse för forskningen eftersom de innehåller spår av hur det var i solnebulosan när solen och planeterna bildades. Bland annat stämmer värden för solens halter av olika tyngre grundämnen som man får fram genom spektralanalyser mycket bra överens med sammansättningen av de mest primitiva meteoritkornen. De ger ett facit och test av de spektroskopiska metoderna Några gånger per år korsar solen olika kometbanor. Då ökar dramatiskt antalet meteorer vilka alla ser ut att komma från samma del av himlen. Dessa kallas meteorskurar. Drakoniderna infaller 9-10 oktober. Det finns en bra och detaljrik hemsida om planetsystemet som något antikverat heter The Nine Planets : http://nineplanets.org/ (OK 2014-10-01). Där finns alla möjliga bilder och data om planetsystemet, månar, asteroider etcetera, kan rekommenderas (men har tyvärr en del reklam) 12