## 4.2 Evolutie van het heelal

Samenvatting
Kosmologen proberen de vraag te beantwoorden hoe het heelal is ontstaan, hoe het heelal zich heeft ontwikkeld en hoe de toekomst van het heelal eruit ziet. Volgens de moderne inzichten ontstond het heelal ongeveer 13,7 miljard jaar geleden met de oerknal. Hiervoor is een aantal aanwijzingen, waaronder de waargenomen uitdijing van het heelal (volgens de wet van Hubble) en het bestaan van de kosmische achtergrondstraling. De wet van Hubble geeft het verband tussen de vluchtsnelheid v en de afstand d van sterrenstelsels: v = Hxd. In een relatief korte periode na de oerknal konden quarks zich verbinden tot protonen en neutronen, gevolgd door de vorming van eerst de atoomkernen en later de atomen van de lichtste elementen. Ruwweg 1 miljard jaar na de oerknal klonterde deze materie onder invloed van de gravitatiekracht samen tot de eerste sterren en sterrenstelsels. De atomen van de zwaardere elementen zijn later door kernfusieprocessen in de sterren ontstaan en bij supernova-explosies door het heelal verspreid. Het licht van een ster of sterrenstelsel heeft tijd nodig om de afstand naar de aarde te overbruggen. Wanneer wij dat licht waarnemen, kijken we dus naar het verleden.

Lees eerst de lesstof van hoofdstuk 4 paragraaf 4.2 t/m 'de vorming van zwaardere elementen' .Maak daarna de vragen op deze pagina.

Evolutie van het heelal.docx

Hoe is het heelal ontstaan, hoe heeft het heelal zich ontwikkeld en hoe ziet de toekomst van het heelal eruit?
Kosmologie

Beantwoord na het lezen van de leerstof de volgende vragen.

Webopgave 130 - Invuloefening

Webopgave 131 - Oerknal

Wat is de oerknaltheorie?

De bekendste theorie over het ontstaan van het heelal wordt de oerknaltheorie, ook wel de Big Bang-theorie genoemd.

Bekijk de volgende film over de oerknal.

Bron: http://www.youtube.com/watch?v=OZPmQMyJnGc

Vragen:

1. Hoe lang duurt het voordat de eerste protonen en neutronen ontstaan?
2. Hoe lang duurt het vanaf de oerknal voordat de mensen op de aarde ontstaan?
3. Hoe heten de vier fundamentele krachten van de natuur?
4. Waarom kijk je eigenlijk naar het 'verleden' als je naar ver weg gelegen sterren kijkt?

Verloop van de oerknal

De oerknal of Big Bang begon met een hete en zeer dichte oersoep van quarks. Na ongeveer een milliseconde had het heelal de omvang van het zonnestelsel. Door de dalende temperatuur konden de quarks zich verbinden tot protonen en neutronen. Na 100 seconden werden de atoomkernen van de lichtste elementen gevormd, eerst waterstof en na verdere afkoeling ook helium (twee protronen en twee neutronen) en lithium (drie protonen en drie neutronen).
Na zo’n 300 000 jaar was het heelal zó ver afgekoeld, dat de elektronen en atoomkernen in atomen werden gebonden. Licht kan nu vrij bewegen. Na 1 miljard jaar klonterde materie onder invloed van de gravitatiekracht samen tot de eerste sterren en sterrenstelsels. We leven nu ongeveer 13,7 miljard jaar na de oerknal, schattingen lopen uiteen van 10 tot 20 miljard jaar.

Webopgave 132 - Tijdlijn oerknal

Bekijk de animatie (in het engels) en maak een gedetailleerde tijdlijn van de gebeurtenissen na de Big Bang.

Klik op de play knop rechts onder.

Hoe zijn de zwaardere elementen gevormd?

Lees eerst de lesstof van hoofdstuk 4 paragraaf 4.2 vanaf 'de vorming van zwaardere elementen'.Maak daarna de vraag op deze pagina.

Zwaardere elementen.docx

De zware elementen zijn ontstaan bij de explosie van zware sterren: die explosies zijn waar te nemen als nova's of de grotere supernova's..

In 1987 was er een supernova (links), een paar dagen voor de explosie is er op die plaats alleen een gewone ster te zien (rechts).

Webopgave 133

1. Lees de tekst en geef in maximaal 10 zinnen weer hoe de elementen als zuurstof, koolstof en bijvoorbeeld zwavel in het heelal ontstaan zijn.
2. Waarom zegt men wel dat wij allemaal bestaan uit sterrenstof? Is de uitspraak helemaal juist?

4.2 - Bewijs voor de oerknal

Lees eerst de lesstof van hoofdstuk 4 paragraaf 4.2 t/m de samenvatting.Maak daarna de vragen op deze pagina.

Bewijs voor de oerknal.docx

Om de theorie van de oerknal weerleggen moet men één of ander verschijnsel waarnemen dat in strijd is met de uitgangspunten van deze theorie. We zouden een ster kunnen waarnemen die ouder is dan de het moment van de eerste stervorming, zoals voorspeld door de oerknaltheorie. Of we zouden een waarneming kunnen doen waaruit blijkt dat de verdeling van de Melkwegstelsels over het heelal niet homogeen is. Bijvoorbeeld over de 'donkere materie' .

Meer weten? Maar dat dat niet altijd tot eenduidige resulaten leidt kun je lezen in het volgende artikel over donkere materie: kosmologen-tasten-in-het-duister en http://nl.wikipedia.org/wiki/Donkere_materie

Webopgave 134 - Donkere materie

1. Wat is donkere materie?
2. Hoe hebben de kosmologen de donkere materie ontdekt? Welke waarnemingen hebben ze daarvoor gedaan?

De wet van Hubble

Een belangrijke voorspelling van de oerknaltheorie is de uitdijing van het heelal. In 1929 nam de astronoom Edwin Hubble de uitdijing van het heelal daadwerkelijk waar. Aan de hand van zijn metingen stelde hij vast dat alle Melkwegstelsels zich van elkaar af bewegen. Bovendien geldt dat hoe verder ze van ons verwijderd zijn, des te groter is hun snelheid. Zijn resultaten vatte hij samen in een formule, die de wet van Hubble is gaan heten: volgens de wet van Hubble verwijderen sterrenstelsel zich van ons af met een snelheid die gegeven wordt door:

waarin geldt:

- v is de snelheid van een Melkwegstelsel in meters per seconde (ms-1)
- H is de afstand van het Melkwegstelsel tot ons in meters (m)
- d is een constante; deze wordt de constante van Hubble genoemd. De huidige waarde is: 2,31.10-8 .

Webopgave 135 - Video Edwin Hubble

Edwin Hubble ontdekte dat het heelal heel groot was. Met zijn wet beschreef hij ook het uitdijende heelal.

Bekijk de video.

Bron: http://www.youtube.com/watch?v=hVApTLE7Csc

Vragen :

1. Leg uit wat redshift (roodverschuiving) is.
2. Hoe kwam Edwin Hubble achter zijn wet?
3. Leg uit dat de wet van Hubble een argument is, dat de oerknal theorie waar kan zijn.
4. Welke eenheid hoort er bij de Hubble constante d?
5. Op welke hoogte hangt de Hubble telescoop? (reken het aantal miles om naar km.)

Door de onzekerheid in de afstandsschaal is er echter ook de waarde van de Hubble contante niet precies bekend en daarmee in de leeftijd van het heelal.
Als de Hubble constante groot is, dijt het heelal sneller uit en moet de huidige toestand sneller bereikt zijn. De leeftijd van het heelal is dus evenredig met het omgekeerde van de Hubble constante. De wet van Hubble wil overigens niet zeggen, dat ons sterrenstelsel zich in het centrum bevindt. Dat wordt ook het kosmologisch principe genoemd.

Webopgave 136

1. Beschrijf in het kort wat dit principe inhoudt, zie ook: http://nl.wikipedia.org/wiki/Kosmologisch_principe
2. Waarom bevinden wij ons dus niet in het midden van het heelal?

Stel je eens voor dat we op de ballon van de onderstaande figuur leven en dat de stippen op de ballon de sterrenstelsels voorstellen. Als de ballon wordt opgeblazen, dijt het gehele heelal (het oppervlak) uit en "ziet" elke stip de andere stippen van zich af bewegen. Vanuit elk punt lijkt het dus alsof jij je in het middelpunt van het heelal bevindt. Probeer het maar eens uit!

Webopgave 137 - Krentenbol

Soms nemen we ook wel een ander voorbeeld: een bol deeg met daarin wat krenten. Als het deeg rijst.....

Waarom is dit voorbeeld beter dan het balonnetje?

klik hier

Kosmische achtergrondstraling

De kosmische achtergrondstraling geeft ons informatie over de begintijd van het Heelal. Deze microgolfstraling werd in 1965 door Arno Penzias en Robert Wilson ontdekt. Met de satelliet Cobe (COsmic Background Explorer) werd in 1992 de kosmische achtergrondstraling nauwkeurig in kaart gebracht. Deze straling bleek - zoals voorspeld door de oerknaltheorie - heel gelijkmatig te zijn, met slechts minimale variaties.

Webopgave 138 COBE keek dus naar de achtergrondstraling van ons Heelal.

1. Wanneer is die straling uitgezonden?
2. Waarom geven de kleine variaties in de straling aan dat er sterrenstelsels gevormd kunnen zijn?