59 - 67

Artikel 59 Tycho Brahe en Johannes Kepler
•Het heliocentrische wereldbeeld van Copernicus was een machtig instrument gebleken om een veelheid van verschijnselen aan de hemel met elkaar in verband te brengen, maar het was niet mogelijk om een precieze afstemming tussen theorie en waarneming te krijgen.
•De eerste waarnemingen van Tycho Brahe vonden plaats in augustus 1563 toen een bijzonder samenstand van Saturnus en Jupiter hem duidelijk maakte dat de bestaande astronomische tabellen zeer onnauwkeurig waren.
•Muurkwadrant: instrument waarmee Brahe de hoogte van de ster kan worden gemeten als dester het zuiden passeert op zijn hoogste punt. De schaalverdeling loopt van 0 tot 90 graden van boven tot onder en elke graad is onderverdeeld in 60 boogminuten die elk weer zijn onderverdeel in 60 boogseconden.

•Door het werk van Brahe werden de gemiddelde afwijkingen van 10 boogminuten teruggebracht naar minder dan een boog minuut.
•Johannes Kepler wist op basis van de waarnemingen van Tycho Brahe de ware aard van de planetaire beweging af te leiden. Kepler wilde eigenlijk aantonen dat de planeten echt eenparige cirkels om de zon beschreven alleen de planeet mars gaf problemen. Uiteindelijk ontdekte Kepler dat alle planeten een ellips beschrijven.
•Kepler heeft de bewegingen van de planeten om de zon beschreven met drie wetten:
-1e wet: Planeten bewegen in een ellips om de zon. De zon staat in een van beide brandpunten.
-2e wet: In gelijke tijden doorloopt de planeet gelijke oppervlakten., dus de planeet gaat sneller als hij dichter bij de zon is. (figuur 59.5)
-3e wet: De omlooptijd van een planeet neemt toe naarmate zijn afstand tot de zon groter is. Als de afstand toeneemt met de tweede macht, dan neemt de omlooptijd toe met de derde macht. Een grafiek op log-log papier waarin de omlooptijd wordt uitgezet tegen de afstand geeft een rechte lijn. Dit bewijst de derde wet
•Ver verwijderde planeten hebben een grote omlooptijd.
•Kometen: Soort vuile ijsbollen met een omvang van enkele kilometers die een ellips om de zon beschrijven. Als ze dicht in de buurt van de zon zijn, begint het ijs te verdampen. Naarmate een komeet dichter bij de zon komt neemt zijn snelheid toe door de aantrekkingskracht van de zon, voorbij het perihelium neemt de snelheid weer af doordat de aantrekkingskracht de beweging afremt.
•De eerste die vermoede dat kometen aan de hemel terugkeren was Edmond Halley. Hij kwam hierachter doordat de baan van een bepaalde komeet uit 1682 precies samenviel met die van 1607 en 1531. Hij voorspelde dat in 1758 de komeet weer zou komen, en dit klopte. (kommeet Halley)
•De stofmassaspectrometer ontdekte dat de aanwezigheid van stofdeeltjes bij de komeet waarvan het Co2-gehalte overeenkwam met dat van de zon. Dit vormde een aanwijzing dat kometen en het zonnestelsel tegelijk zijn ontstaan.

•De wetten van Kepler gelden niet alleen voor de planeten om de zon maar ook voor alle satellieten die om een zwaar hemellichaam draaien.
•Er is sprake van twee concentraties satellieten, een vlak rondom de aarde en in de geostationaire baan. (hangen in een vast punt boven de aarde.)

Artikel 60 Gravitatie
•Aristotelis had de kosmos in twee delen gesplitst:
-de onveranderlijke en onvergankelijke hemelen waarin de cirkelbeweging de enige toegestane verandering was.
-Het ondermaanse, de wereld van het vergankelijke.
•In zijn 23e en 24e levensjaar deed Newton drie fundamentele ontdekkingen:
-De methode der fluxies
-De leer van de samenstelling van licht
-De algemene gravitatiewet
•De maan en de aarde, zon en de planeten en de manen van Jupiter trekken elkaar onderling aan.
•Gravitatiewet: twee massa’s trekken elkaar altijd aan.
•Gravitatiekracht: één kracht die tegelijkertijd werkt op zowel het ene als het andere lichaam. De krachten zijn even groot want elke kilogram van het ene lichaam trekt aan elke kilogram van het andere lichaam en omgekeerd. (figuur 60.6)
•Figuur 60.3


Om de gravitatiekracht te begrijpen zijn vijf stappen nodig:
-Het is nodig om te weten wat een kracht is en doet.
 Hook liet zien dat als een kracht wordt uitgeoefend op een voorwerp dat dan leidt tot een vervorming.
-Het is nodig in te ziend at voor beweging geen kracht nodig is maar voor bewegingsverandering wel.
 Galilei stelde: als een voorwerp een beweging heeft dan beweegt hij gewoon voort als er geen krachten op werken.
-Het is nodig om in te zien dat er voor een cirkelbeweging wel kracht nodig is.
 Om een blokje van richting te laten veranderen moet je er aan trekken in de richting die loodrecht staat op de beweging.
-Het is nodig de gedachte los te laten dat voor hemellichamen andere wetten gelden dan voor ondermaanse zaken.
 Voor cirkelbewegingen is een kracht nodig, dat geld dus ook voor planeten dus moest de zon een aantrekkingskracht op de planeten uitoefenen.
-Het is nodig om af te leiden hoe de kracht waarmee de zon aan een planeet trekt afhangt van de afstand tussen de zon en de planeet.
 Hooke, Halley en Wren hadden het vermoeden dat de kracht vier keer zo klein werd als de afstand twee keer zo groot werd.
•Descartes ging ervan uit dat de ruimte tussen de zon en de planeten gevuld was met wervels.


Artikel 61 Ruimtekolonie
•Het eerste probleem dat moest worden opgelost om ruimtevaart mogelijk te maken was de ontsnapping aan de zwaartekracht.
•Gravitatieveld: krachtveld rond de aarde waarin elk voorwerp een kracht ondervindt, in overeenstemming met de grootte van zijn massa en gericht naar het middelpunt van de aarde. De veldsterkte van dit oppervlak is 9.8 N/kg.
•Met twee regels kon Newton de veldsterkte buiten de aarde bepalen:
-de massa van de aarde mag geconcentreerd gedacht worden in het middelpunt.
-De gravitatiekracht neemt af met het kwadraat van de afstand. Dus afstand twee keer zo groot, kracht vier keer zo klein.
•Door de aanwezigheid van de zwaartekracht is er energie nodig om iets op te tillen of op grote hoogte te brengen. Voor 1 kg is zo’n 60 MJ nodig.
•De ontsnappingssnelheid op aarde bedraagt 11 km/s.
•Bij een raket wordt de bewegingsenergie opgebouwd, zodat de mensen niet worden verpletterd.
•Rond ieder hemellichaam is een gravitatieveld. De sterkte hangt af van de massa van het hemellichaam en van de afstand tot het middelpunt van de massa.
•Op aarde is er een versnelling van 1g, bij een versnelling van 8g raak je bewusteloos en kom je te overlijden.
•Elk voorstel voor een langdurig verblijf inde ruimte moet drie hoofdproblemen aanpakken:

1.Hoe wordt het zwaartekrachtprobleem opgelost?
2.Hoe wordt voorzien in de levensbehoeften aan zuurstof, water en voedsel?
3.Hoe komt het ruimteschip aan zijn energie?
•Zwaartekracht kan alleen worden gesimuleerd door verandering van beweging, zoals versnelling of rotatie.
•Mensen hebben dagelijks ongeveer 4 kg zuurstof, water en voedsel nodig. Maar bij een ruimte reis zijn deze hoeveelheden te groot. Hiervoor is het handiger om een gesloten ecosysteem op te bouwen.
•Gesloten ecosysteem: er is een symbiose (samenleving) tussen mensen, planten en dieren. Mensen en dieren gebruiken zuurstof en produceren koolstofdioxide, planten gebruiken koolstofdioxide en water om daarmee zuurstof en voedsel te maken.
•De ervaring leert dat een stabiel en robuust ecosysteem groot moet zijn en een groot aantal soorten noodzakelijk om de kwetsbaarheid te verminderen.
•Energie is nodig om de snelheid van het ruimteschip te veranderen, maar voor het in stand houden van de beweging niet. Ook is energie nodig om het ecosysteem in stand te houden en om technologisch geavanceerde gemeenschap te ondersteunen.
•Bij ruimtereizen zal altijd gebruik worden gemaakt van kernenergie, omdat de benodigde brandstof niet veel ruimte in beslag neemt.
•Er moeten bases in de ruimte zitten om het schip te bevoorraden.

Artikel 62 Sterren
•William Herschel en Carolien Herschel hielden zich bezig met het bepalen van de afstand waarop sterren stonden.

•Vanaf het moment dat werd ingezien dat de aarde om de zon bewoog, realiseerden de geleerden zich dat je dit aan de sterren zou moeten kunnen merken.  twee sterren die erg dicht bij elkaar staan pakken en dan in de winter en zomer kijken naar de stand van deze sterren. (figuur 62.1)
•Friedricht Wilhelm Bessel zou erin slagen de afstand tot een ster te bepalen door parallax metingen.
•Door afstanden, helderheden en kleuren van sterren te combineren groeide het inzicht in de verschillen tussen sterren.
•In de 19e eeuw zorgden technologische en wetenschappelijke ontwikkelingen voor een explosieve toename van de kennis over sterren (telescopen en fotografie)
•De komst van de fotografie maakte het mogelijk ’s nachts waarnemingen te verrichten door foto’s te maken van de te onderzoeken hemelobjecten en deze overdag te bekijken.
•Voordelen van de fotografie:
- sterobjecten konden eenvoudiger bepaald worden
- analyse door meerdere personen
- de lichtgevoelige plaat legde meer en andere informatie vast dan het netvlies van het menselijk oog.
•In 1871 organiseert het Astronomisch Gesellschaft het onderzoekswerk om de hemel in kaart te brengen. (13 observatoria krijgen ieder hun eigen deel)
•Een belangrijk instrument bij het indelen van sterren is het spectrum. Annie Jump Cannon slaagde hier rond 1900 in.
•Twee direct meetbare grootheden van sterren zijn de helderheid en de temperatuur. In 1914 zet de Amerikaan Norris Russel deze twee grootheden uit in een diagram. De helderheid is hierin uitgezet t.o.v. de zon.

•Dubbelsterren: meer dan de helft van alle sterren, zijn gevangen in elkaars gravitatieveld en draaien om elkaar heen. (bv. sirius)
•Witte dwerg: hemellichamen waarvan de veldsterkte miljoenen keren groter is dan aan het oppervlak van de aarde. Ze zijn kleiner naarmate ze meer massa hebben, want de zwaartekracht wordt steeds groter.
•De zon en andere sterren halen hun energie uit de fusie van waterstof en helium atomen.
•De levensloop van de sterren hangt af van zijn massa.
•Limiet van Chandraskhar: bij een massa die 1,4x zo groot is als die van de zon, zijn de elektronen niet meer opgewassen tegen de gravitatiekracht.
•Een sterkern zal na het stoppen van de energie productie instorten tot een neutronenster
 groot zwart gat en zeer grote gravitatiekracht

Artikel 63 De wording van een planeet
•De belangrijkste twee elementen waar de aarde uit bestaat zijn ijzer en silicum.
•De belangrijkste vijf elementen waar levende wezens uit bestaan zijn: waterstof (H), stikstof (N), zuurstof (O), koolstof (C) en fosfor (P).
•Waterstof is gevormd tijdens de oerknal in de 1e minuut, voor de vorming van zwaardere kernen was geen tijd. Deze zijn tot stand gekomen door de samensmelting van waterstof kernen.
•Om protonen te laten fuseren moeten ze heel hard op elkaar botsen, hiervoor zijn hoge temperaturen nodig. Deze komen alleen in sterren voor en dan is de kan nog 1/100.000.000 vanwege de juiste snelheid.

•Blauwe reuzen: hier zijn de atomen van de stoffen op aarde gesmeed. (hier zijn hogere temperaturen)
•Levensduur van de sterren verloopt in fasen (gelijk aan de productie van zwaardere elementen):
•- fase 1 waterstoffusie (10 miljoen jaar): uit waterstofatomen ontstaat helium. Als alle waterstof op is stagneert de productie en begint de ster in te storten.
•- fase 2 heliumfusie (1 miljoen jaar): heliumkernen fuseren en koolstof ontstaat. Als alle helium op is stagneert de productie en begint de ster in te storten.
•- fase 3 koolstoffusie (100.00 jaar): koolstofkernen fuseren en er ontstaat een scala aan kernen van zuurstof tot natrium en magnesium. Als alle koolstof op is stagneert de productie en begint de ster in te storten.
•- fase 4 zuurstoffusie (10.000 jaar): zuurstofkernen fuseren en er ontstaat silicium. (bij hogere temperaturen ook zwavel) Als alle zuurstof op is stagneert de productie en begint de ster in te storten.
•- fase 5 siliciumfusie (1dag): siliciumkernen fuseren en er ontstaat ijzer. Geen verdere fusie mogelijk, waardoor instorting niet meer te voorkomen is.
•Als bij fase 5 al het silicium is opgebrand, begint de instorting waarbij straling vrijkomt. Deze is zo intens dat ijzeratomen weer afbreken tot helium (kost energie) uiteindelijk implodeert de kern. Bij een dichtheid van 100.000.000 ton per cm2 is er sprake van een grote neutronenbol. De instorting komt tot stilstand en de buitenste materie begint te vallen. Ten slotte explodeert de keren. Deze zal maandenlang blijven schijnen met een zeer grote helderheid.
•Als de uitbarsting tot stilstand is gekomen begint de gravitatie opnieuw en ontstaat er een nieuwe ster + een aantal planeten (bestaande uit materie van de oude ster)

•Drie natuurkundige processen spelen een rol bij de totstandkoming van het zonnestelsel:
•1. Gravitatiecontractatie: door de onderlinge aantrekkingskracht van de deeltjes trekt de nevel samen, wat een nettokracht naar het midden van de wolk oplevert.
•2. Pirouette-effect: door het samentrekken van de deeltjes gaat de nevel steeds sneller draaien.
•3. Pizza-effect: door sneller draaien wordt de nevel platter.
•In de Adelaarsnevel is er sprake van stervorming uit de sterke verdichtingen van materie.
•De aarde werd in de 1e miljard jaar bekogeld door brokstukken uit de ruimte. Hierbij kwam zoveel energie vrij dat de korst smolt en zwaardere elementen (ijzer) naar het centrum zakten en lichtere elementen (silicium) bovenop dreven. Deze vormden later de korst.
•Opvattingen over het ontstaan van het leven:
- Darwin: Warme poel met allerlei ammoniak gassen en fosforhoudende zouten, licht en hitte. Hierin zouden zich chemische processen afspelen die steeds ingewikkelder werden en uiteindelijk tot leven leiden.
- Haldane: zeeën die door vele regens werden verrijkt met allerlei ingewikkelde moleculen (oersoep).
- Oparin: cellen waren er voordat er leven ontstond.
•Twee basale eigenschappen van het leven:
- replicatie: instrument waarmee het leven zijn eigenschappen doorgeeft aan de volgende generatie. (bestaat uit nucleïnezuren)

- metabolisme: informatievermeerdering m.b.v. energie (bestaat uit proteïnen)
•DNA, RNA: dragers van informatie (nucleïnezuren). De bouwstenen, nucleotiden, worden gevormd door Thymine, Adenine, Guanine, Cytosine. Bij RNA is Thymine vervangen door Uracil.
•Belangrijkste functie van het RNA is het transporteren van informatie van het DNA naar de ribosomen in de cel.
•2e hoofdwet van thermodynamica: bij alles wat er aan veranderingen in de natuur plaatsvindt moet de wanorde (entropie) toenemen. Hierdoor neemt de informatie af.
•Het metabolisme van de levende wezens vindt plaats doordat met m.b.v. bijzondere moleculen de chemische synthese van andere moleculen wordt gestuurd.
•Eiwitten: spelen een grote rol bij het instant houden van de levensfuncties, bestaan uit aminozuren.
•In 1953 deed Harold Urey een experiment op basis van de theorie van de oersoep.
(figuur 63.10) Nu twijfelt men eraan of de atmosfeer wel de samenstelling had waar Urey van uiting.
•Wächterhäuser leverde het pizza-model. Hij ging ervan uit dat grote organische moleculen elektrisch gebonden zouden kunnen worden aan een metaalachtige ondergrond zoals pyriet. Energie werd gehaald uit chemische energie.
•Zwarte rokers: onderzeese vulkanische gaten, zouden chemische energie kunnen leveren. De bacteriën haalden hun energie uit chemische energie.

Artikel 65 Relativiteit
•In 1905 liet Einstein drie publicaties het licht zien, die elk enorme invloed op de natuurkunde zouden hebben:

•- Brownbeweging: door voortdurende botsingen van de vloeistofmoleculen tegen de stuifmeelkorrel staat de korrel te dansen. Overtuigde de fysische gemeenschap van het bestaan van moleculen en atomen.
•- foto-elektrisch effect: poneerde dat licht naast een golf karakter ook een deeltje karkater bezit.
•- speciale relativiteitstheorie: je mag niet zien dat je beweegt en licht heeft voor alle waarnemers, ongeacht hun beweging, dezelfde snelheid. (figuur 65.3)
•Algemene relativiteitstheorie: iemand is niet in staat vast te stellen dat hij beweegt.
•Tot aan het eind van de vorige eeuw gingen de natuurkundigen uit van een stilstaande ruimte gevuld met ether.
•Alle beweging is beweging t.o.v. iets anders (relatief)
•De algemene relativiteitstheorie is een gravitatietheorie.
•Massa heeft twee eigenschappen:
- zware massa zorgt ervoor dat een voorwerp naar de aarde wordt getrokken.
- trage massa zorgt ervoor dat een voorwerp moeilijk van beweging veranderd.
•Equivalentieprincipe: versnelling en gravitatie zijn twee dezelfde dingen. (figuur 65.4)
•Licht dat vlak lang de zon scheert buigt een klein beetje af (bewijs is geleverd door Arthur Edington in 1919)
•De gravitatietheorie faalt in 2 gevallen:
1. als het gravitatieveld heel sterk wordt.

2. voor verschijnselen op een schaal van miljoenen lichtjaren.

Artikel 66 De geschiedenis van het heelal
•In het begin van de eeuw werden astronomen in de grote sterrenwachten verbaasd door de roodverschuivingen in de spectra van sterrenstelsels.
•Roodverschuiving: het verschijnsel dat de lichtgolven die door een lichtbron worden uitgezonden langer worden. Aanduiding dat de lichtbron zich verwijdert. Hoe groter de roodverschuiving, des te sneller de lichtbron zich verwijdert. Kan worden vastgesteld doordat bekende absorptielijnen in het spectrum zijn opgeschoven.
•Hubble concludeerde dat hoe verder een melkwegstelsel stond, des te sneller het zich verwijderde.
•Hubble-constante: een sterrenstelsel op een afstand van 1 MegaParsec verwijdert zich met een snelheid van 500 km/s van de aarde. Geen echte constante in een heelal met materie, want hij neemt af door de gravitatiekracht die voor afremming van de expansie zorgt. Hoe meer materie er is, hoe sneller deze constante afneemt.
•In 1917 presenteerde Einstein zijn 1e kosmologische model. Hij had zijn algemene relativiteitstheorie toegepast op het heelal dat volgens hem homogeen gevuld was met materie. Later paste hij zijn vergelijkingen aan, omdat het heelal volgens hem statische en eeuwig moest zijn, het kon niet expanderen.
•De Sitter ontwierp een heelal zonder materie, wat expandeerde. Hij liet zien dat de golflengte van licht mee uitrekt.
•In 1922 publiceerde Alexander Fiedmann een oplossing van de veldvergelijkingen van Einstein die een expanderend heelal betekende.
•Georges Lemaître was de eerste die een verband legde tussen de waargenomen roodverschuivingen en de expansie van het heelal.
•In 1948 publiceerde George Gamow dat het vroege heelal heet moest zijn geweest vanwege deze twee redenen:
- de hoeveelheid helium in het heelal (24%) kan alleen ontstaan bij hoge temperaturen. (door fusie van waterstofkernen, kan onmogelijk alleen in sterren)

- de temperatuur moet in het heelal dalen in het expanderende heelal. Straling uitgezonden in de hete fase zou nu nog meetbaar moeten zijn. In 1965 werd dit door twee medewerkers van Bell Telephone bewezen.
•Penzias en Wilson kwamen bij het uitproberen van de hoornreflector erachter dat het apparaat bij een golflengte van 7,35 cm een signaal kon opvangen wat uit de melkweg kwam. Ook vingen ze met de hoornreflector een ruis op die waarschijnlijk afkomstig was van achtergrondstraling uit het vroege heelal.
•Uit vrijwel alle studies blijkt dat de belangrijkste gebeurtenissen in het heelal hebben plaatsgevonden in de 1e minuut van de oerknal.

Artikel 67 Begin en einde van de kosmos
•Lichtbronnen aan de hemel zijn allemaal melkwegstelsels. Sommige ervan zijn zo zwak dat ze miljarden lichtjaren verwijderd moeten zijn.
•Quasars: objecten die ongelofelijk ver weg staan, stammen uit een tijd dat het heelal nog maar eenderde van de leeftijd van het huidige heelal had. Het zijn bijzondere sterrenstelsels die in het huidige heelal niet meer voorkomen.
•In 2003 werd door de Nasa een foto vrijgegeven van het heelal toen het nog een leeftijd had van ongeveer 0,3-0,4 miljoen jaar. Met de foto werd de oudste straling vastgelegd waarover de mensheid kan beschikken.
•Bij temperaturen hoger dan 3000 graden zijn er teveel losse elektronen die een wisselwering aangaan met straling. Informatie in de straling besloten ging verloren. Maar als het heelal is afgekoeld tot 3000 graden worden losse elektronen ingevangen door atoomkernen en er ontstaan atomen. Vanaf dit moment kan straling vrij reizen.
•De achtergrondstraling is de oudste straling die we kennen. Door de uitdijing van de ruimte is de straling uitgerekt en heeft het een grote golflengte gekregen.
•Voor vrijwel alle vormen van materie en straling geldt dat in het vroege heelal sprake was van intensieve wisselwerkingen waardoor de informatie over het verleden verloren ging.

•Neutrin’s: kleine deeltjes die vrijwel geen wisselwerking ondergaan en zijn daarom moeilijk te detecteren. Stammen uit t = 0.01s.
•De grens van het waarneembare heelal wordt gevormd door de afstand die het licht heeft kunnen afleggen tijdens de levensduur van het heelal. De lichtsnelheid bepaalt de ligging van de waarnemingshorizon.
•Hoe meer materie er is, hoe sneller de constante van Hubble afneemt. Drie situaties kunnen worden onderscheiden:
- het open heelal: De gravitatie is te klein om het heelal tot stoppen te dwingen, het blijft eeuwig uitzetten.
- het gesloten heelal: Als de materiedichtheid boven de kritische waarde zit, zal het heelal tot stilstand komen. De gravitatie krijgt de gelegenheid voor contractatie en het omgekeerde proces wordt in gang gezet.
- het kritische heelal: Het heelal bezit precies de kritische dichtheid. Het zal eeuwig blijven expanderen.
• Als de expansie snelheid en de gravitatieconstante maar een beetje hadden afgeweken van de huidige waarde hadden wij niet bestaan.