Samenvatting voor scheikunde: Zonnestelsel en heelal - structuren, de oerknal, straling en telescopen

Het heelal

Onder heelal verstaan we in de letterlijke zin: alles; de hele ruimte en alles wat erin zit. Als we uitzoomen vanaf de aarde ziet dat er als volgt uit:

De eerste structuur die we zien als we uitzoomen is het zonnestelsel. Het zonnestelsel bestaat uit de zon en alle planeten, meteoroïden en kometen die er in een baan omheen draaien. De planeten zijn, in volgorde van dichtst bij de zon tot verst van de zon: Mercurius, Venus, de Aarde, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus. Pluto, nog verder weg, werd vroeger tot de planeten gerekend, maar tegenwoordig noemen we dit een zogenaamde dwergplaneet, samen met nog een aantal andere objecten die zijn gevonden in de vroege 21ste eeuw.

Als we verder uitzoomen, zien we een enorme hoeveelheid sterren bij elkaar, waarvan de zon er slechts één is. Zo’n groep sterren noem je een sterrenstelsel en bestaat doorgaans uit vele miljarden sterren. Het sterrenstelsel waar ons zonnestelsel een deel van is heet de melkweg, of het melkwegstelsel, en bestaat uit zo’n 200 miljard sterren.

Zoomen we nog verder uit, dan zien we dat er vele sterrenstelsels zijn. Die zitten, net als sterren in een sterrenstelsel, bij elkaar in zogenaamde clusters van sterrenstelsels, die elk tussen de 50 en de 1000 sterrenstelsels bevatten. De cluster waar de melkweg een deel van is heet de lokale groep. Op het verst uitgezoomd zien we dat er vele clusters van sterrenstelsels bestaan. Er zijn er tot nu toe ruim 4000 waargenomen.

Afstanden tussen sterrenstelsels

De afstanden tussen sterren, tussen sterrenstelsels en tussen clusters van sterrenstelsels, zijn respectievelijk enorm, gigantisch en onvoorstelbaar. De afstand tussen de zon en de aarde is zo’n 150 miljoen kilometer. Het licht van de zon doet er, met een snelheid van zo’n 300 duizend kilometer per seconde, ongeveer 8 minuten en 20 seconden over om die afstand te overbruggen en de aarde te bereiken.

Licht, dat in één seconde ruim zeven keer om de aarde heen kan reizen, doet er dus bijna acht en een halve minuut over om de aarde te bereiken vanaf de zon. Houd dat in gedachten als ik je vertel dat de ster die het dichtst bij ons staat, Proxima Centauri, zó ver weg is dat het licht dat hij uitzendt er 4,2 jaar over doet om de aarde te bereiken.

Om dat in perspectief te brengen: Als we ons voorstellen dat de zon een golfbal is die in het centrum van Amsterdam ligt, dan is Proxima Centauri een erwt in het centrum van Rome. Als we ons voorstellen dat de afstand tussen de zon en Proxima Centauri één meter is, dan is de diameter van de melkweg zo’n 25 kilometer en is het dichtstbijzijnde andere sterrenstelsel, Andromeda, zo’n 600 kilometer verderop.

Lichtjaren

Het is, wanneer we het over zo grote afstanden hebben, totaal onpraktisch om ze in meter, of kilometer uit te drukken. In plaats daarvan gebruiken we als eenheid het lichtjaar. Dat is de afstand die licht kan afleggen in één jaar. Met een snelheid van zo’n 300.000.000 meter per seconde is dat zo’n 10¹⁶ meter. De afstand van de zon tot Proxima Centauri is dus zo’n 4,2 lichtjaar. In lichtjaren is de diameter van de melkweg zo’n 105.000 lichtjaar en is de afstand van de melkweg tot Andromeda zo’n 2.500.000 lichtjaar. De afstand tussen de zon en de aarde is een luttele 0.000016 lichtjaar.

Licht dat door Proxima Centauri wordt uitgezonden doet er 4,2 jaar over om ons te bereiken. Dat betekent dat het licht dat ons nu bereikt 4,2 jaar geleden is uitgezonden. Als we naar Proxima Centauri kijken, zien we hem dus eigenlijk niet zoals hij nu is, maar zoals hij 4,2 jaar geleden was. We zien dus ook het sterrenstelsel Andromeda, dat twee en een half miljoen lichtjaar bij ons vandaan is, zoals het twee en een half miljoen jaar geleden was.

De oerknaltheorie

Rond 1930 ontdekte Edwin Hubble dat verre sterrenstelsels allemaal uit elkaar bewegen. Tegenwoordig noemen we dat het uitdijen van het heelal. Men concludeerde later dat alle sterrenstelsels vroeger dan dichter bij elkaar moeten zijn geweest. Als je die conclusie ver genoeg terug in de tijd doortrekt, concludeer je uiteindelijk dat het hele heelal lang geleden in een klein volume heeft gezeten met een gigantische dichtheid en temperatuur, en dat het vervolgens uit elkaar is gevlogen in iets wat lijkt op een gigantische explosie. Dat idee heet de oerknaltheorie en is op dit moment de dominante theorie over de ontwikkeling van het heelal. Wetenschappers hebben berekend dat het universum, als de oerknaltheorie klopt, zo’n 13,8 miljard jaar oud is.

Kosmische achtergrondstraling

Volgens de oerknaltheorie zou het heelal zo’n 380 duizend jaar na zijn ontstaan voor het eerst straling hebben uitgezonden. Die straling zou nu nog steeds zichtbaar moeten zijn in de vorm van microgolfstraling, die de kosmische achtergrondstraling wordt genoemd. Die straling is in de jaren 60 van de vorige eeuw voor het eerst waargenomen. De oerknaltheorie zou dus best weleens kunnen kloppen.

Hoe wordt straling waargenomen?

Om dit alles te kunnen waarnemen gebruiken we telescopen. Die vangen de elektromagnetische straling op die wordt uitgezonden door objecten in het heelal in de vorm van radiogolven, microgolven, infrarood licht, zichtbaar licht, ultraviolet licht, röntgenstraling en gammastraling. Het verschil tussen de verschillende soorten elektromagnetische straling, zit hem in de golflengte en frequentie van die straling. In Binas tabel 19B zie je welke soort straling bij welke frequenties en golflengtes hoort.

We gebruiken om die elektromagnetische straling op te vangen verschillende soorten telescopen: optische telescopen, radiotelescopen en ruimtetelescopen. Optische telescopen zijn eigenlijk gewoon heel sterke verrekijkers en maken een uitvergroot beeld van datgene waar ze op gericht staan. Ze werken over het algemeen met zichtbaar licht. Radiotelescopen vangen radiogolven op en maken zo een beeld van de dingen in de ruimte die radiogolven uitzenden. Ruimtetelescopen zijn telescopen die in een baan om de aarde zweven en dus elektromagnetische straling kunnen opvangen van objecten in de ruimte zonder daarbij gestoord te worden door de atmosfeer, of door slecht weer.

Door te kijken naar het spectrum van de elektromagnetische straling die we ontvangen van een ster, kunnen we de temperatuur van het oppervlak van die ster bepalen. We gebruiken daarvoor de wet van Wien. De formule die daarbij hoort kun je in de video zien.

Samenvattend

Het heelal is letterlijk alles wat er is. Het bestaat uit de ruimte en alles wat erin zit. Dat zijn clusters van sterrenstelsels, waarvan er tot nu toe ruim 4000 zijn waargenomen. Die bestaan uit 50 à 1.000 sterrenstelsels, die bestaan uit vele, vaak honderden miljarden sterren. De afstanden tussen al deze dingen zijn gigantisch en meten we meestal niet in meters of kilometers, maar in lichtjaren. Één lichtjaar is de afstand die licht kan afleggen in één jaar. Het heelal dijt uit. Dat wil zeggen dat sterrenstelsels steeds verder van elkaar af bewegen. Dat, en het feit dat er kosmische achtergrondstraling is, leidt tot de oerknaltheorie die stelt dat het heelal begon in een klein volume met een enorme dichtheid en temperatuur, die vervolgens uit elkaar vloog in een soort explosie. We nemen objecten in de ruimte waar door middel van optische telescopen, radiotelescopen en ruimtetelescopen, die de elektromagnetische straling opvangen die uitgezonden wordt door die objecten. Kijken we naar de elektromagnetische straling die uitgezonden wordt door een ster, dan kunnen we via de wet van Wien de oppervlaktetemperatuur van die ster bepalen.

8. Oefenopgave: kogeltje in een goot