stjerner og stjernemodeller -...

STJERNER OG

STJERNEMODELLERJAKOB RØRSTED MOSUMGAARD, PHD STUDERENDE

SILKEBORG HØJSKOLE, AUGUST

2017

HVAD ER STJERNER?

Kilde: https://dk.pinterest.com/unforgettable28/night-sky/

HVAD ER STJERNER?

… OG HVORFOR ER DE INTERESSANTE?

Kilde: http://www.ipac.caltech.edu/2mass/gallery/showcase/

Kilde: https://www.nasa.gov/feature/jpl/20-intriguing-exoplanets

Kilde: https://www.nytimes.com/video/science/space

OVERBLIK

• Hvad er stjerner?

• Hvad er en stjernemodel?

• Hvordan udvikler stjerner sig?

• Hvordan ser vi ind i stjernerne?

• Hvad er fremtidens stjernemodeller?

Kilde: https://www.nasa.gov/feature/jpl/20-intriguing-exoplanets

HVEM ER JEG?

• Jakob Rørsted Mosumgaard

• PhD Studerende ved SAC, AU

• Fokus på stjernefysik og stjernemodeller

• Bachelor i fysik

• (Snart) kandidat i astronomi/astrofysik

HVORFOR STJERNER?

• Grundsten i astronomi og astrofysik

• Forståelsen af stjerner er astrofysik

”

“Astronomi er videnskaben der måler

himmellegemernes kendetegn, mens astrofysik er

anvendelsen af fysik for at forstå astronomien.

Prof. Britt Scharringhausen, Beloit College, Wisconsin

Fortsættelsen: I dag skelnes ikke rigtigt imellem de to, da alle astronomer bruger fysik til

at forstå deres opdagelser.

HVORFOR STJERNER?

• Grundsten i astronomi og astrofysik

• Forståelsen af stjerner er astrofysik

• Stjerner som værktøj

• Værktøjer til at studere stjerner

HVAD ER EN STJERNE?

Kilde: https://en.wikipedia.org/wiki/Timon_and_Pumbaa

”

“ Jeg har altid troet, at de [lysende prikker på himlen]

er kugler af gas, der brænder milliarder af kilometer

væk?

Pumbaa, Løvernes Konge (1994)

HVAD ER EN STJERNE?

Definition:

• En selv-graviterende sfære af plasma, eller

• En kugle af gas der bliver holdt sammen af sin egen tyngdekraft

Nøgleord:

• Ligevægt

• Energiproduktion

• Lysende

EN STJERNE ER IKKE BARE EN

STJERNE

• Forskellige udviklingsstadier

”Fysiske” karakteristika:

• Masse

• Radius

Observationelle karakteristika:

• Lysstyrke

• Farve / temperatur

Kilde: https://www.behance.net/gallery/6982081/Different-Types-of-Stars-Chart

HERTZSPRUNG-RUSSEL DIAGRAM

Kilde: http://www.sttff.net/ast/hrd.html

SOLEN

• Vores nærmeste stjerne

• Den vigtigste stjerne!

• ”Almindelig” hovedseriestjerne

• Den eneste stjerne vi ved noget om.

SOLENS STRUKTUR

• Kernen

• Strålingszonen

• Konvektionszonen

OVERBLIK

• Hvad er stjerner?

• Hvad er en stjernemodel?

• Hvordan udvikler stjerner sig?

• Hvordan ser vi ind i stjernerne?

• Hvad er fremtidens stjernemodeller?

HVAD ER EN STJERNEMODEL?

• Computermodel / simulering

• Matematisk model

• Stjerners struktur og udvikling

HVAD ER EN STJERNEMODEL?

• Computermodel / simulering

• Matematisk model

• Stjerners struktur og udvikling

• Primære ingrediens: Fysik !

• Hvad en model i fysikken?

ØVELSE: HVAD ER FYSIK?

• Brug to minutter på at overveje, hvad fysik egentlig er.

• Hvordan kan man kortfattet definere begrebet fysik?

• ”Fysik er en matematisk korrekt beskrivelse af verden omkring os”.

• Teorier skal kunne forudsige!

HVAD ER EN MODEL I FYSIKKEN?

• Matematisk model

• Kan forudsige

• Kan generaliseres

• Kræver et kendt udgangspunkt

• Simpelt eksempel: Fodbold der flyver gennem luften

• Banen kan bestemmes ud fra startpunkt, -hastighed og -vinkel.

?

MEN HVAD SÅ MED STJERNEMODELLER?

• Med det simple billede i tankerne:

• Hvordan adskiller stjernemodellerne sig?

• Hvad er den primære udfordring?

• Vi kender ikke begyndelsespunktet!

”STJERNEMODELLER”

”STJERNEMODELLER”

STJERNEMODEL – STRUKTUR

”Stjerneprogram

”

Stjerneligninger

Fysik

Atom- og kernefysik

STJERNEMODEL – UDVIKLING

”Stjerneprogram

”

Fysik, mm.

Givent tidspunkt Senere tidspunkt

OVERBLIK

• Hvad er stjerner?

• Hvad er en stjernemodel?

• Hvordan udvikler stjerner sig?

• Hvordan ser vi ind i stjernerne?

• Hvad er fremtidens stjernemodeller?

Kilde: http://i.imgur.com/cM980By.jpg

Kilde: https://astronomynow.com/tag/protostar/

Kilde: http://www.extrasolar.de/index.php/2016/05/01/protostar/

Kilde: http://lifecycleofstarsscience.weebly.com

HERTZSPRUNG-RUSSEL DIAGRAM

STJERNEUDVIKLING

STJERNEUDVIKLING

Alder?

Kilde: http://www.constellation-guide.com

OVERBLIK

• Hvad er stjerner?

• Hvad er en stjernemodel?

• Hvordan udvikler stjerner sig?

• Hvordan ser vi ind i stjernerne?

• Hvad er fremtidens stjernemodeller?

KAN MAN SE IND I STJERNERNE?

• Er det et problem?

• Ja!

• Problemet: Vi ser lyset fra overfladen

• Så: Nej, det kan man ikke umiddelbart!

”

“ At first sight it would seem, that the deep interior of

the Sun and the stars is less accessible to scientific

investigation than any other region of the Universe.

What appliance can pierce through the outer layers

of a star and test the conditions within?

Sir Arthur Eddington

The Internal Constitution of the Stars, 1926

HVORDAN VED VI SÅ HVORDAN SOLEN OG

ANDRE STJERNER SER UD INDENI?

• Stjernesvingninger!

• Helio-/asteroseismologi

HVORDAN VED VI SÅ HVORDAN SOLEN OG

ANDRE STJERNER SER UD INDENI?

• Stjernesvingninger!

• Helio-/asteroseismologi

• Hvordan/hvorfor opstår de?

• Hvad kan vi bruge dem til?

• Hvordan måler vi dem?

SVINGNINGER I

SOLLIGNENDE STJERNER

• Hvor/hvordan/hvorfor ?

• Stokastisk eksitation

• Bevægelse af gas

• Konvektionszonen!

Stråling

Konvektion

Kilde: http://bentonil.com

Kilde: http://www.dualitshop.dk

Kilde: http://www.weatherwizkids.com Kilde: http://www.ebay.co.uk/gds/The-Collectors-Guide-to-Brass-Bells-/10000000178523379/

SVINGNINGER I

SOLLIGNENDE STJERNER

• Hvor/hvordan/hvorfor ?

• Stokastisk eksitation

• Bevægelse af gas

• Konvektionszonen!

• Lydbølger!

Stråling

Konvektion

Alpha Centauri A

Xi Hydrae

LYTTEØVELSE

Solen Alpha Centauri A

Xi Hydrae

• Vi kan “høre” en stjernes

størrelse

• Lydhastigheden afhænger

af de forskellige indre lag

• Men hvordan kan vi

opfange lyden?

SVINGNINGER I

STJERNER

KAN MAN LYTTE TIL STJERNERNE?

• Det korte svar: Nej …

• … Men så alligevel ?

SÅ ER DET VIST TID TIL KAFFE…

FØR PAUSEN

• Hvordan kan vi se ind i stjernerne?

• ”Stjerneskælv” / stjernesvingninger

• Kommer fra konvektionen

• Svingningerne påvirkes af stjernens størrelse

• Den indre struktur påvirker også svingningerne

KAN MAN LYTTE TIL STJERNERNE?

• Det korte svar: Nej …

• … Men så alligevel ?

ASTEROSEISMOLOGI

• Det vi kan måle: lys fra stjernerne

• Svingninger: Ændring af størrelsen / overfladen

ASTEROSEISMOLOGI

• Det vi kan måle: lys fra stjernerne

• Svingninger: Ændring af størrelsen / overfladen

• Lille ændring af lysstyrken!

• Kræver meget præcise målinger af lysstyrken som funktion af tid

Hertzsprung SONG-teleskopet

på Tenerife (1 m)

KEPLER MÅLER ÆNDRINGER I

LYSSTYRKEN!

Planet

Stjernen

Kepler-6

Tidsserie: Powerspektrum:

SVINGNINGERNE PÅVIRKES

AF DE INDRE DELE AF

STJERNEN

VI KAN SE IND I STJERNERNE!

VI KAN SE IND I STJERNERNE!

H

He

OVERBLIK

• Hvad er stjerner?

• Hvad er en stjernemodel?

• Hvordan udvikler stjerner sig?

• Hvordan ser vi ind i stjernerne?

• Hvad er fremtidens stjernemodeller?

STOLER VI PÅ VORES STJERNEMODELLER?

• Ja!

• … nej!

”

“Our stellar models are very refined and very

efficient, but also very wrong!

Achim Weiss

Nuværende udvikler af Garching Stellar Evolution Code. Medforfatter til en bog om

stjerneudvikling.

Sagt under en workshop i Aarhus: SCORe 2016

PROBLEMER VED STJERNEMODELLER

• Altid plads til forbedring (fx atomfysik)

• Helio- og asteroseismologi

• Nøgleproblem: De ydre lag.

• Konvektion!

• Effektiviteten kalibreres til Solen

• Antages konstant og gældende for alle stjerner

3D-SIMULERINGER AF

STJERNEATMOSFÆRER

• Samspil mellem hydrodynamik og stråling

• “Box in a star”

• Løsning af Navier Stokes ligninger

• Strålingsoverførsel

• Konvektion

Tak til: Remo Collet

Tak til: Remo Collet

Tak til: Remo Collet

Kilde:

http://www.astro.uu.se/~bf/publications/2008_11_19_Paris_Molecules/talk/sun.htm

3D-SIMULERINGER AF

STJERNEATMOSFÆRER

• Realistiske modeller og overbevisende resultater.

• Beregningsmæssigt tunge!

• Kun en lille del af stjernen

• Tidsskalaer

• Uegnede til stjerneudvikling

HVAD GØR VI SÅ?

• Mål (utopi?):

• Realisme som 3D-simuleringer

• Tidsudvikling og hastighed som “almindelige” stjernemodeller

• Middel:

• Udtræk information fra 3D-simuleringer

• Inklusion i stjernemodellerne

MIN FORSKNING – DET BEDSTE FRA BEGGE

VERDENER

• Resultater fra mange 3D simuleringer

• Ændring af konvektionens effektivitet

MIN FORSKNING – DET BEDSTE FRA BEGGE

VERDENER

• Resultater fra mange 3D simuleringer

• Ændring af konvektionens effektivitet

• Løbende brug under stjernens udvikling

• Temperaturstruktur

HAR DET EN EFFEKT?

TAK FOR OPMÆRKSOMHEDEN!