Aktieve Sterrenstelsels & Kosmologie Sterrenstelsels: de ...

Aktieve Sterrenstelsels & Kosmologie
Sterrenstelsels: de bouwstenen van het heelal
Ze komen in het algemeen niet geïsoleerd voor,
maar in filamenten, groepen en clusters.
Koupelis - hoofdstuk 17 & 18
Hercules Cluster
Abell 1689
tot 1950:
Het serene Heelal...
De eerste aanwijzing voor
een ‘rusteloos’ Heelal:
‘vlammen’ of straalstromen
uit de kern van Messier 87.
(Fath, 1908)
Meer indicaties voor zeer energetische
processen:
heldere UV-kernen alsmede
emissie-lijnen van zeer heet gas
NGC1068
(Seyfert 1943)
Dan worden radio-telescopen ontwikkeld...
...en ontdekt men gigantische
radio-wolken rond sterrenstelsels!
Grote Reber (1911-2002)
1954: Cygnus A

De ontdekking van ‘radio-stelsels’ betekende een
enorme impuls voor de radio-interferometrie techniek.
Centaurus A
(1963)
Men kon daarmee zeer gedetaileerde kaarten maken
van de radio straling in sterrenstelsels.
Centaurus A
Fornax A
radiostraling
&
zichtbaar licht
Virgo A
Virgo A
zichtbaar licht
zichtbaar licht
radio straling

Cygnus A
De bron zit
diep in de kern.
Radio vermogen bedraagt ~10 40 Watt
➞ miljoenen maal meer radiostraling
dan de Melkweg produceert.
3C390.3
Virgo A
Er bevindt zich veel heet gas
nabij het centrum in Virgo A : gebruik Doppler-effect
We zien beweging in
straalstromen!
Active Galactic
Nucleus (AGN)
De centrale massa in Virgo-A is ∼10 9 M zon

Serene schijn bedriegt...
... want er sluimert iets
in de kern van het Sombrero stelsel.
2.1 micron
warmtestraling
van koele
sterren
60 micron
warmtestraling
van stof
radiostraling
van de kern
Röntgenstraling
van de kern
een Radio- en Röntgenkern!
Sterrenstelsels zoals de
‘Sombrero’ hebben
aktieve kernen die slechts
10 tot 50 keer sterker zijn
dan de kern van onze
Melkweg.
Quasars werden ontdekt in 1963.
Hoewel ze ontdekt zijn als radiobronnen,
blijkt dit later doorgaans niet het geval te zijn.
➞
HST
Echter,
er zijn stelsels met extreem heldere kernen!
Quasars zijn quasi-stellair omdat de extreem heldere kern het
sterrenstelsel overstraalt ➞ zichtbaar op zeer grote afstanden!
Dit zijn extreem aktieve stelsels!
De emissielijnen in Quasar-spectra
vertonen grote roodverschuivingen.
In de jaren ‘60 en daarna blijken aktieve stelsels ook sterke
bronnen van hoog-energetische Röntgen- en gamma-straling te
zijn, en soms zeer variabel!
Röntgen
emissie-lijnen
3.6cm
UV-straling
➙ Ze staan op enorme afstanden!

Kenmerken van aktieve stelsels:
UV kern, soms variabel
zeer heet gas,
verspreid over duizenden lichtjaren
vaak radio-straling, veelal in ‘jets’
van lichtdagen tot miljoenen lichtjaren
veel infra-rood straling
Röntgen- en gamma-straling,
meestal variabel op korte tijdschalen
gericht zoeken
We onderscheiden nu de volgende klassen, afhankelijk
van hun helderheden, variabiliteit, en stralingskarakteristieken:
Seyfert stelsels
Type I : nauwe emissie-lijnen
Type II: brede emsissielijnen
Radio-stelsels
Type I : nauwe jets, sterke radiowolken
Type II : brede jets, geen radiowolken
Quasars
radio-helder en radio-zwak
BL Lac objecten
zeer sterk variabel
een ruwe inventaris van sterrenstelsels
een algemeen verklarend model
STERRENSTELSELS IN HET NABIJE HEELAL
Normale stelsels
Overgangsobjecten
LINERs
Seyfert stelsels
een algemeen verklarend model
Wat we weten anno 2013:
➣ sterrenstelsels met aktieve kernen
komen tamelijk frequent voor
➣ een grote variëteit aan verschijningsvormen
➣ extreem radio-heldere objecten
huizen meestal in elliptische stelsels
➣ er is sprake van kosmische evolutie
➣ alle sterrenstelsels hebben een
min of meer massief centraal zwart gat.
Wat we echter nog niet weten is:
Hoe onstaan zulke zwarte gaten?
Wat veroorzaakt die aktiviteit?

Kosmologie : de vorming van ons wereldbeeld
en de studie van het Heelal op zich.
De kosmologische spelers in het spel,
ofwel het ‘wat’ en ‘waarom’.
• Wat ?
• Waarom ?
• Hoe (verder) ?
• Wat is onze relatie
tot het Heelal ?
Een lange ontdekkingsreis
van een Geo- (of ego)centrische
naar een relativistische Kosmologie.
Olbers’ Paradox :
Waarom is het ‘s nachts donker?
Feit : het Heelal expandeert met ∼70 km s /Mpc
-1
-1
Een simpele vraag met grote implicaties.
In een oneindig groot en oud heelal zou
je in iedere richting de fotosfeer van een
ster zien.
Conclusie: het heelal expandeert en had een begin!
Gevolg : objecten die verder weg staan
bewegen sneller van ons vandaan ➙ grotere roodverschuiving!
Kosmologische roodverschuiving
Feit : de lichtsnelheid is eindig 299.793 km/s
Sterrenstelsels bewegen niet door de ruimte
maar de ruimte zelf expandeert!
Gevolg : hoe verder weg we kijken,
des te verder terug in de tijd we objecten zien.

Kosmische archeologie:
Feit : sterrenstelsels zijn gegroepeerd in een spons-achtige
struktuur, langs filamenten en in clusters ...
➙ vroeger waren er meer en kleinere sterrenstelsels
... maar op de allergrootste schaal is het Heelal
homogeen en isotroop : het Kosmologische Principe
Feit : over de gehele hemel meten we een gloed van
millimeter-straling: Cosmic Microwave Background (CMB)
Ontdekt in 1964 en in 1992 nauwkeurig
gemeten door de COBE satelliet:
➙ een bijna perfecte Planckse-kromme
(2.728 K) met minieme temperatuurfluctuaties
van 1 : 100.000
Het Perfecte Kosmologisch Principe eist bovendien
onveranderlijkheid in tijd (Steady State)
Nieuwe kaart van de CMB gemeten door de WMAP satelliet : Nieuwe kaart van de CMB gemeten door de WMAP satelliet :
De sterkte van de fluctuaties hangt af van de schaal.

Consequenties & Vragen:
Expansie : - het Heelal was vroeger kleiner en heter
- Doppler-effect geeft enorme roodverschuivingen
Blijft het Heelal uitdijen?
Lichtsnelheid : - we kijken terug in de tijd
Kunnen we het moment van de Big Bang zien?
Struktuur : - niet alle strukturen expanderen even snel:
in clusters en filamenten is er meer zwaartekracht
en remt de expansie sneller af
Het Heelal dijt homogeen uit en dus moet er een
begin zijn geweest : de OERKNAL (Big Bang)
Echter:
De gemeten Hubble-constante
H (km/s/Mpc) beschrijft de
huidige expansie.
Vroeger moet deze groter
zijn geweest: H = H(t)
Hoe is de spons-struktuur ontstaan uit de kleine fluctuaties?
De toekomst hangt af van de hoeveelheid materie,
en dus zwaartekracht, die de expansie kan afremmen.
Er zijn dus verschillende toekomstmogelijkheden:
Scenario hangt af van de
aard en hoeveelheid van
alle materie in het Heelal:
• Baryonische materie
• Donkere materie
• Straling
• Λ - ‘materie’
Let op : de leeftijd van het Heelal hangt af
van de expansiesnelheid in het verleden!
Terugkijken in de tijd :
we kunnen verschillende periodes onderscheiden.
Kosmologisch Principe:
deze geschiedenis zien we in alle richtingen aan de hemel!

Big Bang
Big Bang
quarks, (anti-)elektronen,
en fundamentele
natuurkrachten
de ruimte,
tijd en
natuurkrachten
ontstaan...
quarks, (anti-)elektronen,
en fundamentele
natuurkrachten
quarks combineren
tot (anti-)protonen
en (anti-)neutronen
-10
10 seconde
Vóór de Big Bang
was er dus geen ruimte,
tijd, materie, zwaartekracht, EM straling,...
Big Bang
Big Bang
quarks, (anti-)elektronen,
en fundamentele
natuurkrachten
quarks combineren
tot (anti-)protonen
en (anti-)neutronen
-10
10 seconde
quarks, (anti-)elektronen,
en fundamentele
natuurkrachten
quarks combineren
tot (anti-)protonen
en (anti-)neutronen
-10
10 seconde
anti-materie en
materie annihileren
➥ anti-materie
verdwijnt
0.001 seconde
anti-materie en
materie annihileren
➥ anti-materie
verdwijnt
0.001 seconde
protonen en neutronen
vormen de kernen van
waterstof, deuterium,
lithium en helium
3 minuten
Big Bang
quarks, (anti-)elektronen,
en fundamentele
natuurkrachten
quarks combineren
tot (anti-)protonen
en (anti-)neutronen
anti-materie en
materie annihileren
➥ anti-materie
verdwijnt
protonen en neutronen
vormen de kernen van
waterstof, deuterium,
lithium en helium
-10
10 seconde
0.001 seconde
3 minuten
380.000 jaar
losse elektronen en kernen
combineren tot atomen ➙ het Heelal wordt transparant voor EM-straling

Hoe vormen we sterrenstelsels, sterren, planeten en
mensen uit minimale dichtheidsfluctuaties?
computer-simulatie van struktuurvorming
?
Nucleosynthese van de
lichte elementen in de
eerste 3 minuten:
De waargenomen abundanties
van deuterium, helium en lithium kloppen met de theoretisch
voorspelde waarden, volgens het Hot Big Bang model !
De basis-formule voor de toestand van het Heelal:
Ω + Ω + Ω = 1
M k Λ
Ω = fractionele bijdrage van alle materie
M
(zichtbare en donkere materie, straling)
aan de totale dichtheid van het Heelal ≈ 0.27
Ω = bijdrage tgv de kromming van de ruimte
k
0 : open Heelal
Ω = bijdrage tgv de Kosmologische Constante
Λ
wiskundig toegestaan door Algemene Relativiteitstheorie
maar niemand weet de fysische interpretatie.
Ook wel bekend als ‘Donkere Energie’
Praktische implicatie van ruimtekromming
Verschillende mogelijkheden voor de evolutie van het heelal
Os (lm C)^ Universe
Closed universe
Initially parall€l lines
converge when extended
Structure app€ars larg€r
than actual size
'f .0 0.3 O.7 Flat, open
0.0 0.0 0.0 Empty
0.3 0.3 0.0 Open
1.0 1.0 0.0 Flat
5.0 5.0 0.0 Closed
Flat universe
Inilially parallel lines
r€main parall€l wh€n extended
Struclure appears actual size
*o:'f
Mrlr
>ffi
7
Ooen universe
diverg€when€nended
Structure appears small€r
than aclual size
L---T-----J
Big Bang
Now

WMAP heeft de kromming van de ruimte gemeten door de
fluctuaties in de CMB te analyseren:
Een Λ-gedomineerd vlak Heelal is ouder!
Combinatie van verschillende waarnemingen geeft nu een
leeftijd van het Heelal van 13.7 miljard jaar.
hieruit volgt: Ω
k
= 0 (vlak Heelal) Ω
Λ
≈ 0.73 !!!
Uiteindelijk zal het Heelal uiteen vliegen : the Big Rip
Materie en Energie in het Heelal
Belangrijke (gedeeltelijk) open vragen:
1. preciese samenstelling van het vlakke Heelal
2. oorsprong van de dichtheidsfluctuaties
3. vorming en ontwikkeling van strukturen
4. uniformiteit van CMB ➙ zwarte gaten
5. aard van de donkere materie
6. inflatie-theorie: aard van Λ
7. ‘First Light’: eerste sterren en her-ionisatie
8. Globale Heelal-parameters:
wat is het preciese lot van het Heelal
+ straling (10 -5 )
“ We are a way
for the Cosmos
to know itself ”
Carl Sagan
(1934-1996)