stjerner og stjernemodeller -...
TRANSCRIPT
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!