HSK Lezing mei 2006
“Ontstaan van het Zonnestelsel”
Deel 1
door Rob Smit
De ontstaansgeschiedenis van een zonnestelsel
Donkere, koude moleculaire gaswolk
1 lichtjaar
Instorten van onderdelen van de gaswolk door uitwendige gasdruk (b.v. supernova) en de gravitatie van de eigen massa-concentraties
uit: NASA Genesis Program
h e m e l e q u a t o r
Skymap
melkw
eg18h20h 0º
- 30º
Bok globule Barnard 68 in OphiuchusESO VLT ANTU & FORS1 (1999)
Kleine moleculaire wolk (~10 K of -263°C), voor
99% bestaand uit gas (voornameijk H2) en
slechts weinig stofdeeltjes, op slechts ~ 410
lichtjaar van ons vandaan.
hemelequator0º
- 10º
- 30º
- 20º
18h 17h
B68
17h 22’ 36”
-23° 55’
M e l k w
e g
12.500 AE
N
E
6.8 boogminuten
Bok globule Barnard 68 in OphiuchusESO VLT ANTU & FORS1 (1999)
Compositiefoto van B68 met infrarood-opnames waarop sterren te zien zijn die áchter de stofwolk staan! In de wolk zelf vindt op dit moment nog geen stervorming plaats.
B68 obscuratie(tot 35 magnitudes)
Massa van B68Gas ~ 2 à 3 MּסStof ~ 0.03 Mּס
Allereerste fase van samentrekking, op weg naar ineenstort-ing en de vorming van een ster
Er zijn tientalle moleculen ontdekt in het interstellaire medium van allerlei verschillende C,H,O,N verbindingen, van een eenvoudige CO verbinding, tot het complexe HC11N
Ruimtestof opgevangen met vliegtuig op grote hoogte boven aarde
adsorptiedesorptie
reactie
diffusie
Bij adsorptie b.v.
hechten gas-
moleculen zich
rechtstreeks aan
een vast opper-
vlak, zoals bij
waterdamp aan
waterijs, waarbij
de vloeibare
(water-) fase wordt
overgeslagen!
Complexe chemische reacties vinden plaats op het grensgebied van een stofkorrel, omgeven door een waterijsmantel, en het interstel-laire medium.
Moleculaire gas- en stofwolk met toenemende draaiing. Opwarming door verhoging van de gasdruk en wrijving tussen deeltjes. Straling in het verre infrarood.
Na inzet van instorting van de gaswolk versnelt de instorting door toenemende gravitatie van de centrale massaconcentratie
10.000 AE
R = 500 AEuit: NASA Genesis Program
Aanvang tijdmeting van vorming van zon & planetenstelsel T = 0
R = 500 AE
10.000 AE
omtrek van de oorspronkelijke
gaswolk
Moleculaire gas- en stofwolk wordt vlakker en in het centrum onstaat een protoster. Begin van uitstroming van onder meer Röntgenstraling en gas langs beide polen van de protoster.
In het centrum van de instortende gaswolk onstaat de accretieschijf, waaruit later planeten kunnen ontstaan.
uit: NASA Genesis Program
T ~ 104 – 105 jaar
Moleculaire gas- en stofwolk vrijwel
volledig samengetrokken in centrale
T-Tauri ster en accretieschijf. Sterke
polaire uitstroom van gas en onder
meer Röntgenstraling. Stofschijf
straalt in het infrarood.
T ~ 105 – 106 jaar
100 AE
PlutoZon
40 AE
Snelheid van rotatie van accretieschijf neemt toe
Vermindering van snelheid van rotatie van ster m.n. door verlies van massa
langs polaire assen
M42
h e m e l e q u a t o r
Skymap
HST 1995 Orion Nevel M42
“proplyds” PROto-PLanetarY DiskS
Verdeling van
grootte van een
aantal proplyds in
Orion nevel
Aarde – Pluto 40 AU
Aan
tal
IRAS spectroscopische
waarnemingen waren de
eeste die een grote
hoeveelheid IR straling
waarnam rond sommige
jonge sterren en die wordt
geïnterpreteerd afkomstig
te zijn van een stofring
rond deze sterren
wrijvingswarmte
stralingswarmte
strerrewind
ster in centrum van stofring
s t o f r i n g
ster
Infrarood “schouder” van de stofring
heet
koel
koud
De grootteverdeling van stofdeeltjes in de stofring m.b.v. de energie-verdeling van het infrarode spectrum (Spectral Energy Distribution SED)
Dullemond & Dominik 2004
ster
Infrarood “schouder” van de stofring
Modellering van het tijdverloop van de ontwikkeling van een stofring m.b.v. SED
Dullemond & Dominik (2004)
kleuren representeren de verschillende intensiteietn van het licht, met rood het meest intens
De golfvormen in de schijf worden waarschijnlijk veroorzaakt door interactie van planeten
Stof- en gasschijf rond Beta Pictoris, gezien vanaf de zijkant
HST 1998
Verdichtingen verdun-ningen in jet duiden op variaties in de gas- en stofstroom van af de ster
Jet komt in borsing met een nabij gelegen moleculaire
wolk, waardoor deze oplicht
De snelheid van de gasstroom in de jet is ~ 160.000 tot 960.000 km/h. De jet beneden de disk stroomt ~2x zo snel als die boven de disk.
accretie-schijf
jet
jet
De accretie-schijf blok-
keert het licht van de ster.
De schijf heeft een diameter van ~ 450 AE
450 AE
Veranderingen in jet waargenomen over periode van 5 jaar
Accretie en structuur van de stof- en gasschijf
Vorming van de schijf
Toevoeging van massa naar centrale ster
Viscose spreiding en thermisch uitzetten van de schijf
Schematisch overzicht van de protoplanetaire schijf
Stof
T-Tauri ster
hete buitenlaag
koude centrale laag
Binnengrens van condensatie van het stof
laag met grotere stofdeeltjes
Schematisch overzicht van de protoplanetaire schijf
Binnengrens van condensatie van het stof
T-Tauri ster
Gas
volgende dia
De accretieschijf direct rond de pas gevormde ster
100 AE
PlutoZon
40 AE
De laatste restanten van de stofschijf waarin vorming plaatsvindt van planetissimalen, protoplaneten en de eerste planeten.
Nucleaire ontbranding in ster vangt aan en de ster is aangekomen op de hoofdreeks van het HR diagram.
uit: NASA Genesis Program
T ~ 106 – 107 jaar
PlutoZon
40 AE
T ~ 107 jaar
uit: NASA Genesis Program
Systeem van ster met planeten
13.700.000.000
Onstaan v/d MELKWEG 13.500.000.000
De RECENTE tijd... het NU
Onstaan ZONNESTELSEL 4.700.000.000Onstaan AARDE 4.600.000.000
LEVEN ontstaat op aarde 3.700.000.000
Uitwendig skelet [Laat Precambrium] 540.000.000
Voldoende zware elementen gevormd? 10.000.000.000
Ontstaan van leven onwaarschijnlijk, met name door het ontbreken van zwaardere elementen in voldoende concentraties
Ontstaan van leven elders mogelijk?
Begin van de TIJD met de OERKNAL
Galactische abondanties
Nucleo-synthese in sterren
nucleosynthese in supernovae
Materie dat is ingevangen in een ster kan niet zonder novae of supernovae in voldoende mate worden teruggebracht in de inter-stellaire – intergalactische – ruimte
Big Bang
Géén (terrestrische)
planeten zonder voldoende
zwaardere elementen
gewone materieneutrino’s
donkere materie
donkere energie
Silk 2006
~24%
~76%
onmiddellijk na de Oerknal
Aanrijking metalen > He
• Type II supernovae
• Type Ia supernovae
• Novae
• Planetaire nevels
• Sterrenwinden
No hydrogen Balmer lijnenHydrogen Balmer lijnen
SN type IaSN type II Planetaire nevel
snelheid van het gas van een SN explosie vermoedelijk vaak > dan ontsnappingssnelheid Melkweg
Pearson Education 2005
1
2
3
45
6
Abun
Abondanties in de buurt van de zon komen niet a priori overeen met die van andere regio binnen de melkweg, zoals in de centrale “bulge”, of in andere delen van de “disk”, op andere afstanden van het galactisch centrum dan waar de zon is gelegen.
Pearson Education 2005
Inval van al of niet aangerijkt (extra-) galactisch gas, b.v. afkomstig van (extra-galactische) supernovae
omgeving v/d zonsolar neighborhood
Evolutie van de mate van formatie van sterren (psi ψ) en type II en type Ia super novae in de “solar neighborhood”
Galactic chemical abundance evolution in the solar neighborhood up to the iron peak (Alibes et al., 2001)
Big Bang
Recent
formatie van zon en zonnestelsel
Evolutie in tijd van de totale metaliteit Z van het intergalacticsch medium in de “solar neighborhood”, genormaliseerd naar de zonswaarde Z0
Z is de massaverhouding metaal (> He) / gas (H+He); Zo Zon = 1 per definitie
Galactic chemical abundance evolution in the solar neighborhood up to the iron peak (Alibes et al., 2001)
Tijd in Ga0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0
Big Bang
Recent
formatie van zon en zonnestelsel
Toename abundanties in galactisch medium buiten omgeving zon
Abondantie zon na ontstaan niet meer veranderd
Uitkomsten van een modelberekeningen van de evolutie van de verhouding [Fe/H] voor contributies van type II supernovae (onderste lijn) en type II + type Ia supernovae (bovenste lijn)De waarde [Fe/H] voor de zon is per definitie nul
Galactic chemical abundance evolution in the solar neighborhood up to the iron peak (Alibes et al., 2001)
formatie van zon en zonnestelsel
Toename [Fe/H] in galactisch medium buiten omgeving zon
Big BangRecent
(protonen + neutronen = massagetal A)
Berekende massafracties van waterstof t/m zink ten tijde van het ontstaan van de zon (boven) en alle daartoe behorende stabiele isotopen (links). De uitkomsten liggen in vrijwel alle gevallen binnen de grenzen van een factor 2 van de abondanties van de zon.
Galactic chemical abundance evolution in the solar neighborhood up to the iron peak (Alibes et al., 2001)
bovengrens 2 x zonswaarde
ondergrens 0.5 x zonswaarde
(protonen in de kern = atoomgetal Z)
Spectroscopisch bepaalde concentraties van elementen in de atmosfeer van de zon (verticale as, logaritmisch)
Nucleosynthese in sterren
Nucleosynthese in novae
NASA Genesis website (het aamtal protonen in de kern)
Big Bang
He aan-rijking in zon
Vrijwel alle elementen > He en hun concentraties zijn afkomstig van de moleculaire wolk waaruit de zon en de planeten zijn ontstaan
“Solar Abundancy”Bepaald door middel van:
• Spectroscopie v/d zon
• Analyse van o.a. carbonaatrijke
chondrieten
Er is een uitstekende correlatie
tussen abondanties van de zon,
bepaald d.m.v. spectroscopie en
die van b.v. carbonaatrijke
chondrieten (zie figuur).
Uitgezonderd zijn de gasvormige
elementen en elementen van de
lithium-beryllium-boron groep, die
in sterren niet stabiel zijn.
Fragment van de Murchison chondritische meteoriet, welke in 1969 in Victoria, Australië neer is gekomen. In totaal zijn ongeveer 82 kg aan fragmenten gevonden. De meteoriet is beroemd vanwege de vele organische verbindingen welke er in zijn aangetroffen.
Murchison
kristal van siliciumcarbide, afkomstig uit de Murchison meteoriet
Er zijn echter in het centrum van
verschillende mineraal-aggregaten in
de Murchison meteoriet ook kristallen
gevonden van siliciumcarbide, SiC.
Deze blijken ouder te zijn dan de oudst
gemeten mineralen van het
zonnestelsel zelf en worden daarom
presolair genoemd.
De afkomst van het SiC is vrijwel zeker
uit rode reuzensterren, waar het door
sterke sterrewinden moet van zijn
weggeblazen de ruimte in.
Silicium komt in een aantal isotopen voor in de natuur, waaronder 28Si, welke het meest algemeen is, en de isotopen 29Si en 30Si, welke alleen in rode reuzen kan worden aangemaakt.
De verhouding van 29Si en 30Si in de zon, op aarde, op de maan en in verschillende meteorieten is bekend en in alle gevallen precies aan elkaar gelijk.
In de SiC kristallen uit de Murchison meteoriet echter komen veel hogere waarden voor.
De samenstelling van de moleculaire wolk waaruit de zon is ontstaan is waarschijnlijk aangerijkt met SiC kristallen, die afkomstig zijn van meer naar het centrum van de melkweg gelegen rode reuzen, welke op hun beurt waarschijnlijk weer zijn gemigreerd van een nog dichter bij het centrum van de melkweg gelegen gebied…
HST M100
migratie van rode reuzen
SiC
21.500 lj
27.500 lj
Het ontstaan van óns zonnestelsel
13.700.000.000
Onstaan v/d MELKWEG 13.500.000.000
De RECENTE tijd... het NU
Onstaan ZONNESTELSEL 4.700.000.000Onstaan AARDE 4.600.000.000
LEVEN ontstaat op aarde 3.700.000.000
Uitwendig skelet [Laat Precambrium] 540.000.000
Voldoende zware elementen gevormd? 10.000.000.000
Ontstaan van leven onwaarschijnlijk, met name door het ontbreken van zwaardere elementen in voldoende concentraties
Ontstaan van leven elders mogelijk
Begin van de TIJD met de OERKNAL