Blik op oneindig

Algemene Natuurwetenschappen, PWW, hfst 3, Blik op oneindig
3.1 de aarde en de maan
Hoe ontstaat natuurwetenschappelijke kennis?
Bij het ontstaan van kennis over het zonnestelsel zijn goede waarnemingen belangrijk. De ontwikkeling van de telescoop en het ruimteonderzoek speelden hierbij een grote rol.
Hoe weet je wat waar is?
Steeds betere waarnemingen bevestigen theorieën over ons zonnestelsel en andere melkwegstelsels. Diverse metingen wijzen er op dat het heelal oneindig is en nog steeds groter wordt.
Hoe pas je natuurwetenschappelijke kennis toe?
Satellieten zorgen voor nieuwe communicatiemogelijkheden en maken nauwkeurige plaatsbepalingen en weersvoorspellingen mogelijk.
Hoe beïnvloeden natuurwetenschap, techniek en samenleving elkaar?
In de 20e eeuw hebben satellieten de wetenschap en het dagelijks leven veranderd.
Wat is jouw mening?
Hoe denk je dat de aarde ontstaan is? Hoe kom je tot een oordeel over het belang van ruimtevaart?

Dag=roteren van de aarde om zijn eigen asetmaal24 uur
Maand=roteren van de maan rond de aarde
Jaar= draaien van de aarde om de zon

Hoe bepaal je je plaats op aarde?
De hoogte van de poolster en de zon aan de hemel kun je gebruiken om zonder kaart en kompas te bepalen op welke breedtegraad je bent. Voor de bepaling van je lengtegraad heb je naast de zonsmiddaghoogte ook nog eens een goed werkende klok nodig. Tegenwoordig kun je met GPS je positie aflezen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van satellieten.

De vorm van de aarde.
Je kunt allerlei voorstellingen maken van hoe de aarde er uitziet. Op het eerste gezicht lijk de aarde een platte pannenkoek. Veel godsdiensten kennen een hemel boven ons en een hel onder ons. Toch waren er – ook lang geleden al – mensen die daar anders over dachten, omdat ze waarnemingen deden en die probeerden te verklaren. Eén van hen was Eratosthenes. (BRON3.1)
Het idee van Eratosthenes kwam niet zomaar uit de lucht vallen. Van schepen die de havenstad Alexandrië naderden zag men eerst het topje van de mast aan de horizon. Pas als ze dichterbij kwamen werd ook de romp zichtbaar. Het leek wel of het zeeoppervlak bol stond. En al ruim 100 jaar vóór Eratosthenes had de Griek Aristoteles al gezegd dat de gebogen schaduw op de maan bij een maansverduistering bewees dat de aarde op zijn minst cirkelvormig was.

Bron 3.1 Eratosthenes en de aarde.
Tussen 276 en 195 voor Christus leeft Eratosthenes. Op een dag doet hij een opmerkelijke ontdekking. Midden in de zomer is er één dag waarop tijdens het middaguur de zon in Syene, een plaats in het zuiden van Egypte, loodrecht boven je hoofd staat. Want in een diepe put zie je dan geen schaduw. Op dezelfde dag blijft in Alexandrië wel een schaduw over. Met een stok bepaalt Eratosthenes dat de zon daar op het middag uur 1/50-ste deel van een cirkel uit de loodrechte stand blijft. Volgens de overlevering bepaalde hij de afstand tussen Alexandrië en Syene door het aantal omwentelingen van een wagenwiel te tellen. De afstand is circa 800 kilometer. Volgens Eratosthenes is de omtrek van de aarde dus 40.000 km. Daarmee zit hij er maar een paar procent naast. Niet gek voor iemand die 2200 jaar geleden alleen beschikte over stokken, wielen, ogen, hersens en inzicht in het experiment.

Lengte en breedte.
Van oudsher hadden ontdekkingsreizigers en handelsfirma’s als de Verenigde Oost-Indische Compagnie (VOC) behoefte aan een goed systeem om hun plaats op de aardbol te bepalen. De plaatsbepaling werd gebaseerd op de dagelijkse draaiing van de aarde. In (BRON3.2) zie je dat je elke plaats op aarde met behulp van twee coördinaten kunt aangeven: de lengtegraad en de breedtegraad. Het bepalen van de lengtegraad was lange tijd een lastig karwei. Je moest op een wiebelend schip bepalen wanneer de zon zijn hoogste punt in het zuiden bereikte. Dat tijdstip was het plaatselijke middaguur. Uit het tijdsverschil tussen het middaguur in Greenwich en die tijd bij kon jou kon je de lengtegraad bepalen. Zo betekent een tijdsverschil van een uur dat je op 15 lengtegraden afstand van de Greenwich-meridiaan bent. Pas toen er nauwkeurige klokken kwamen lukte het de positie op zee nauwkeurig te bepalen. Tegenwoordig is plaatsbepaling eenvoudig. Een GPS-ontvanger meet de positie ten opzichte van een paar speciale satellieten en een kleine computer rekent dan de coördinaten uit.

Bron 3.2 Over coördinaten en positie Poolster.
De aardbol draait in 24 uur om een as die in het noorden naar de Poolster wijst: de aardas. Een denkbeeldig vlak dat haaks op deze as staat en door het midden van de aarde gaat, snijdt het aardoppervlak aan de evenaar. Als je precies op de Noordpool zou staan, staat de Poolster recht boven je hoofd. Sta je op de evenaar, dan licht de Poolster precies op de horizon. De hoogte van de Poolster(de poolshoogte) is dus een maat voor je positie tussen de evenaar en de pool. Je hebt dan je breedtegraad bepaald. Die ligt op het noordelijk halfrond tussen de 0 en 90 draden. Toch weet je dan nog niet precies waar je bent. Om je plaats te bepalen moet je ook de lengtegraad weten door te bepalen op welke meridiaan je staat. Dat zijn denkbeeldige cirkels die van pool tot pool over de aarde lopen. De meridiaan waarop de sterrenwacht van het Engelse Greenwich ligt is de nulmeridiaan. Naar het westen toe telt de lente op tot 180 graden westerlengte, naar het oosten tot 180 graden oosterlengte.

Welke gevolgen hebben de bewegingen van aarde en maan?
Door de beweging van de aarde rond de zon ontstaan seizoenen. Door de beweging van de aarde om zijn as ontstaat dag en nacht. Door de beweging van de maan rond de aarde ontstaat eb en vloed.

Jaar en Seizoen.
In het zuiden van Engeland bevindt zich een duizenden jaren oud monument: Stonehenge (BRON3.4). het bijhouden van het verloop van de seizoenen was misschien de reden waarom Stonehenge werd gebouwd. In (BRON3.5) wordt uitgelegd hoe de seizoenen ontstaan. Stonehenge is dus een soort kalender, een hulpmiddel om het jaar in te delen. Onze kalender is gebaseerd op de jaarlijkse beweging van de aarde om de zon en heet daarom een zonnekalender. Er gaan ongeveer 365,25 dagen in een jaar. Na drie jaren van 365 dagen voegen we de vier ‘kwart dagen’ bijeen tot een extra dag: 29 februari. Een jaar waarin dat gebeurt heet een schrikkeljaar.

Bron 3.4 Stonehenge.
De cirkelvormige grachten en rijen van stenen van Stonehenge zijn zó geplaatst dat wanneer je in het middelpunt van de cirkel staat je de zon op bepaalde dagen precies in het verlengde van bepaalde stenen op ziet komen. Dat is zo op de langste dag en de kortste dag van het jaar. De bouwers hadden dus in de gaten dat de zon niet het hele jaar op dezelfde plaats aan de horizon opkomt en ondergaat. Naarmate de zomer naderde schoven deze plaatsen verder naar het noorden op, zodat de zon langer boven de horizon stond en het langer licht was. Naar de winter toe gebeurde het omgekeerde. De seizoenen hebben dus iets te maken met de stand van de zon ten opzichte van de aarde.

Bron 3.5 Het ontstaan van de seizoenen.
De aarde draait in een jaar om de zon. Door de vaste stand van de aardas in de richting van de Poolster wijzen afwisselend de noord- en de Zuidpool een beetje naar de zon. Boven de poolcirkel gaat de zon op de langste dag zelfs niet onder. De breedtegraad waar de zon op die dag tijdens het middaguur loodrecht boven het aardoppervlak staat heet de keerkring.

De maan.
Behalve de zonnekalenders bestaan er ook maankalenders, zoals de islamitische kalender. Die is gebaseerd op de beweging van de maan. Als je een paar weken lang bijhoudt waar de maan aan de hemel staat en hoe die er uit ziet, merk je al snel de regelmaat in deze beweging. In ongeveer een maand draait de maan om de aarde. Afhankelijk van hoe zon, aarde en maan ten opzichte van elkaar staan, zien wij een bepaald deel van de maan verlicht. Dit zijn de schijngestalten die je in (BRON3.6) ziet. De beweging en schijngestalten van de maan hebben grote invloed op ons denken.

Bron 3.6 schijngestalten.

Gravitatiekracht.
In de 17e eeuw ontdekte Sir Isaac Newton de kracht die de regelmatige bewegingen van aarde en maan verklaart: de gravitatiekracht, een aantrekkende kracht tussen voorwerpen met massa. De gravitatiekracht van de zon houdt de aarde in zijn baan. De maan blijft in zijn baan door de gravitatiekracht van de aarde.(BRON3.8)
Omgekeerd zorgt de gravitatiekracht van de maan voor de getijden op aarde (BRON3.9). Ook de zon speelt een rol, maar haar invloed is ongeveer een kwart van die van de maan. Werken zon en maan samen, dan komt het water extra hoog en daalt het extra diep. Dit heet springtij. Werken ze elkaar tegen, dan is het doodtij.

Bron 3.9 Eb en vloed.
Ongeveer twee keer per etmaal stijgt en daalt de stand van de zeespiegel. Tijdens vloed wordt het zeewater aan de kant waar de maan staat een beetje in de richting van de maan getrokken. Aan de andere kant van de aarde blijft het water een beetje achter ten opzichte van de rest van de aardbol, zodat het daar óók vloed is. Door de draaiing van de aarde en de traagheid van de watermassa’s liggen ze niet precies op de lijn aarde-maan.

3.2 ruimtevaart en onderzoek
Hoe reis je door de ruimte?
De raket is het vervoermiddel in de ruimte. Het bemande ruimtevaartuig of de onbemande satelliet is de lading. Stroom krijg je via zonnepanelen en je positie kan worden aangepast met stuurraketjes. Met isolatiedekens en koel- en verwarmingselementen worden kou en warmte verdeeld.

Van vuurpijl tot raket.
Naar het schijnt is het buskruit een Chinese uitvinding die gebruikt werd in vuurpijlen om de vijand op afstand mee te bestoken. Bij een vuurpijl verbrandt het kruit met zuurstof tot een heet gasmengsel. Het spuit naar beneden, waardoor de pijl omhoog gaat. Wan Hu dacht er zelfs de hemel mee te kunnen bereiken.(BRON3.10)
Moderne raketten werken volgend hetzelfde principe en zijn nodig om in de ruimte te komen. Ze zorgen voor hoge snelheid die nodig is om aan de gravitatiekracht van de aarde te kunnen ontsnappen. Aan het begin van de 20e eeuw deden in verschillende landen wetenschappers en technici proeven met raketten. Eén van die groepen was werkzaam in Duitsland en ontwikkelde uiteindelijk de V2-raket.(BRON3.12)

3.10 De lancering van Wan Hu.
Volgens een Chinese legende liet de Chinese heerser Wan Hu 47 enorme vuurpijlen aan zijn stoel monteren. Ze werden precies gelijk aangestoken door slaven. Er volgde een geweldige ontploffing en Wan Hu was inderdaad van de aardbodem. Maar anders dan hij zich voorgesteld had…

3.12 De ontwikkeling van de V2-raket.
Volgens historici zag Hitler lange tijd het nut van raketten niet in. Toch ontstond op het Duitse Oostzee-eiland Usedom een groot ontwikkelings- en testcentrum. Werner von Braun en zijn medewerkers maakten een raket die op vloeibare zuurstof en kerosine werkte. Op 3 oktober 1942 lukt het voor het eerst deze A4-raket met succes te lanceren. Hij bereikt een hoogte van 80 kilometer en stort 190 kilometer verder in zee. Von Braun herinnerde zich later dat zijn militaire baas Walter Dornberger tegen hem zei: ‘Beseft u wat wij vandaag hebben bereikt? Vandaag is het ruimteschip geboren!’ Maar zover was het nog niet. De raket zou, onder de naam V2, worden gemaakt door dwangarbeiders. Tienduizenden daarvan kwamen om door de onbeschrijfelijk slechte werkomstandigheden. Enkele duizenden V2’s werden met bommen geladen en afgeschoten op steden als Antwerpen en Londen, vaak vanuit het Nederlandse duingebied.

Nuttig gebruik van de ruimte.
De Rus Yuri Gagarin was op 12 april 1961 de eerste mens die wérkelijk in de ruimte reisde. Behalve om te ervaring hoe het is om in de ruimte te zijn, zijn er ook andere redenen om buiten de atmosfeer te willen reizen. Je kunt er de aarde goed overzien en allerlei weersontwikkelingen volgen. Je kunt ook een zend- en ontvanginstallatie in de ruimte brengen, zodat je ongehinderd door bergen of de kromming van de aardbol met elkaar kunt communiceren. Ruimtevaart is dus ook belangrijk voor de telecommunicatie.

Satelliet.
De raket is het vervoermiddel naar de ruimte. Het bemande ruimtevaartuig of de onbemande satelliet bestaat uit een door waarin de apparatuur zit, zoals camera’s, meetinstrumenten, een zend- en ontvanginstallatie voor telecommunicatiedoeleinden, en communicatieapparatuur voor gegevensuitwisseling. Al die apparaten hebben stroom nodig, in de ruimte wek je stroom op met zonnepanelen. Een satelliet heeft ook voorzieningen aan boord om zijn stand te regelen met stuurraketjes. De warmte van de zon en de koude van de ruimte worden gelijkmatig verdeeld met isolatiedekens en met koel- en verwarmingselementen.

Omloopbaan.
Satellieten draaien door de gravitatiekracht van de aarde in een omloopbaan rond de aarde, net als de maan. In (BRON3.13) zie je dat de banen cirkelvormig of elliptisch zijn. De raket geeft een satelliet zoveel voorwaartse snelheid dat hij voortdurend om de aarde heen valt in plaats van erop. Zie (BRON3.8). Op zo’n 300 tot 600 kilometer hoogte is die voorwaartse snelheid bijna 9 km/s! Eén omloop duurt dan ongeveer 100 minuten. Een astronaut in een bemande satelliet, zoals de spaceshuttle, merkt daar zelf niets van. Want hij valt zelf even snel meet om de aarde. Hij is ten opzichte van de shuttle gewichtsloos en kan daardoor vrij zweven.
Hoe hoger je komt, hoe groter de omlooptijd. In de jaren ’40 van de vorige eeuw bekende Arthur Clark dat een satelliet op 36.000 km hoogte boven de evenaar precies 24 uur nodig heeft voor één omloop rond de aarde. Deze speciale baan heet de geostationaire baan. Een satelliet lijkt daar, gezien vanaf het aardoppervlak, stil te staan. Ideaal voor communicatiesatelliet in een ‘vast’ punt boven de aarde. Of voor een weersatelliet die telkens naar hetzelfde halfrond van de aarde moet kijken.

Bron 3.13
In een omloopvaan blijft en satelliet zonder wrijving eeuwig vallen. Spaceshuttles vliegen in banen tot circa 600 km hoog. De banen maken meestal een kleine hoek met de evenaar. De baan op ruim 800 km hoogte over de polen heeft als bijzondere eigenschap dat de stand tussen de zon en de satelliet niet verandert. Aardobservatiesatellieten maker er vaak gebruik van.

Bron 3.14 Staak de bemande ruimtevaart.
Na het ongeluk met het ruimteveer Columbia in februari 2003 hield de wetenschapsjournalist Govert Schilling een vurig pleidooi voor het beperken of zelfs afschaffen van de bemande ruimtevaart. Zeven astronauten kwamen om het leven toen hun ruimteveer door een technisch mankement oververhit raakte bij terugkeer in de dampkring. Aan boord van de Columbia vonden vele experimenten plaats op het gebied van fundamenteel onderzoek aan materialen en levensprocessen.
Ruimteveren waarover de VS. tot het ongeluk beschikte, gebruikte men vooral voor het vervoer van mensen en bouwstoffen naar het International Space Station (ISS). De voltooiing van het station zal veel vertraging oplopen omdat zonder ruimteveren geen grote modules meet aan het ISS gekoppeld kunnen worden. Ruimtevaart is echter ook niet meer uit ons leven weg te denken. Internetten, tv kijken, het weer voorspellen, het milieu in de gaten houden, de weg vinden - het is allemaal mogelijk dankzij satellieten. Maar dat zijn allemaal toepassingen van onbemande ruimtevaart, toepassingen die relatief goedkoop zijn en commercieel interessant!

Hoe onderzoek je het heelal?
De ruimte wordt vanaf de aarde onderzocht met verschillende soorten telescopen, die naast beelden ook straling uit het heelal ontvangen en in beelden omzetten. Sinds de jaren ’90 draait rond de aarde ook de Hubble Space Telescope, die ongehinderd door de atmosfeer waarnemingen doet.

Sterrenkijkers.
In 1609 gebruikte Galileo Galileï een telescoop en hij was de eerste die hem op de hemel richtte. Vervolgens deed hij de ene ontdekking na de andere. Zo was de maan geen lichtgevend kristal, zoals men dacht, maar een pokdalige rotsbol. Er waren veel meer sterren dan men ooit had gedacht. Om de planeer Jupiter bleken vier manen te draaien. De planeet Venus vertoonde, net als de maan, schijngestalten. Galileï’s ontdekkingen hadden tot gevolg dat overal grote telescopen werden gebouwd en sterrenwachten verrezen waardoor de kennis over zon, maan, planeten en sterren enorm groeide. Maar telescopen op aarde hebben beperkingen (BRON3.15), die ruimtetelescopen missen.

Bron 3.15 Nadelen van telescopen op aarde.
- De lucht trilt door warme en koude ‘bellen’ die opstijgen en naar beneden zakken.
- Het kan bewolkt zijn.
- Overdag is een telescoop onbruikbaar vanwege het daglicht.
- Met de groei van de bevolking en de industrialisatie groeide ook het gebruik van kunstlicht; hierdoor zijn lichtzwakke objecten aan de hemel slecht waar te nemen.
- De atmosfeer werkt als een filter waardoor de meeste straling uit de ruimte wordt tegengehouden. Aardse telescopen kunnen voornamelijk zichtbaar licht en radiostraling opvangen.

Ruimtetelescopen.
Als sterrenkundigen alleen naar zichtbaar licht kijken missen ze veel informatie. Daarom willen ze graag naar andere straling van zichtbaar licht kijken. Je kunt het vergelijken met het luisteren naar een concert. Als je gedeeltelijk doof bent hoor je een klein stukje van de muziek. Je mist de beats, of juist de hoge tonen. Minder genieten dus. Sommige objecten zijn zelfs onzichtbaar in ‘gewoon licht’. (BRON3.16) is een voorbeeld van een sterexplosie, gezien in röntgenstraling. De bekendste ruimtetelescoop is de Hubble Space Telescope. De Hubble draait sinds de jaren ’90 van de vorige eeuw in een lage baan om de aarde. In (BRON3.17) zie je astronauten aan de telescoop werken. Ze repareren niet alleen onderdelen die kapot zijn gegaan, maar vervangen ook de waarnemingsapparatuur. Op deze manier blijft deze telescoop ‘bij’ met technische ontwikkelingen die tijdens de bouw niet waren voorzien.

Bron 3.16
Het Amerikaanse röntgenobservatorium Chandra maakte deze opname van een ontplofte ster in het sterrenbeeld Kreeft. Om de vroegere sterkern draaien miljoenen graden hete gaswolken.

De redding van de Hubble.
Bij het maken van de hoofdspiegel van de Hubble was een fout gemaakt. De eerste beelden waren wazig. De eerste astronautenploeg die de satelliet bezocht nam daarom correctielenzen mee en bouwde als het ware een bril in. Sindsdien doet de telescoop de ene ontdekking na de andere.

Bijen en ultraviolet.
Voor mensen zijn de bloemen van koolzaad en speenkruid geel. Maar het oog van de honingbij is gevoelig voor ultraviolet. Daarom is voor de bij koolzaad geel, maar speenkruid paars.

3.3 het zonnestelsel
Wat draait er om de zon?
Om de zon draaien planeten, planetoïden en kometen.

Planeten en planetoïden.
(BRON3.18) Toont het vaste patroon waarin e sterren dagelijks langzaam om de hemelpool lijken te draaien. Omdat de aarde om de zon beweegt zie je in de loop van het jaar steeds andere sterrenbeelden. Maar Griekse astrologen merkten duizenden jaren geleden met het blote oog al op dat vijf ‘sterren’ zich weinig van deze regelmaat aantrekken. Zij dwalen langzaam langs de hemel. Ze noemden deze dwaalsterren planètes. Daar komt ons woord planeet vandaan. Ze werden genoemd naar de goden Mercurius, Venus, Mars, Jupiter en Saturnus. Inmiddels weten we dat het hier niet om sterren gaat, maar koude bollen van gas of van rotsachtig materiaal. Zij zenden zelf geen licht uit, maar weerkaatsen het zonlicht. Pas eeuwen later maakten de ontwikkeling van de telescoop en de gravitatietheorie de weg vrij voor de ontdekking van andere planeten en planetoïden. (BRON3.19)

Bron 3.18
Als je op een heldere nacht een camera op het noorden richt en een tijdopname maakt, is dit het resultaat. Door de draaiing van de aarde lijken de sterren zich in cirkelbanen om de hemelpool te bewegen.

Bron 3.19 Planeten ontdekken.
Op een nacht in maart 1781 ontdekte William Herschel in Engeland met zijn primitieve telscoop een nieuwe planeet die later Uranus zou worden genoemd. Intussen bleef Guiseppe Piazzi in Palermo hardnekkig zoeken naar een nog onbekende planeet tussen Mars en Jupiter. Op Nieuwjaarsochtend 1801 merkte hij een verdacht lichtpuntje op dat zich van avond tot avond heel langzaam verplaatste. Maar in 1807 vond men daar nog een planeetje en in 1891 waren er al 300 gevonden. Ze waren allemaal hooguit een paar honderd kilometer groot en dus véél kleiner dan echte planeten. Ze worden planetoïden genoemd. Met moderne waarneemtechnieken zijn er nu meer dan 100.000 gevonden. Uit de beweging van Uranus bleek intussen dat er iets niet klopte: de planeet hield zich niet aan de positievoorspellingen die op basis van de gravitatietheorie waren gedaan, dat betekende dat er nóg een planeet voorbij Uranus moest staan. In 1846 werd Neptunes ontdekt op de sterrenwacht in Berlijn. Tenslotte werd in 1930 ook Pluto ontdekt.

Kometen, meteoren en meteorieten.
Edmund Halley was een groot wetenschapper en een vriend van Isaac Newton. Hij werkte met hem samen bij het oplossen van een raadsel. Het was hem opgevallen dat sommige kometen met enige regelmaat leken te verschijnen. Hij vermoedde dat het bij de komeetverschijningen uit 1456, 1531, 1607 en 1682 – de laatste nam hij zelf waar- steeds om dezelfde komeet ging. Die zou in een ellipsbaan in 76 jaar om de zon trekken. Met hulp van Newton berekende hij die baan en voorspelde dat de komeet in 1758 weer zou verschijnen. En inderdaad! Op kerstavond van dat jaar verschijnt de komeet aan de hemel. Halley was toen al 16 jaar dood, maar werd door de ontdekking alsnog onsterfelijk. De komeet heet nu Komeet Halley. Vrijwel direct daarna kwam men erachter dat ook veel eerdere verschijningen van deze komeet waren op getekend, zoals in (BRON3.20). Er zijn inmiddels honderden kometen bekend. Uit onderzoek blijkt dat ze enkele kilometers groot zijn en bestaan uit stof en ijs. In de buurt van de zon verdampt het ijs en vormt het gas een staart. Bij toeval kan de aarde soms door de ‘stofbuizen’ trekken en zien we de stofjes als vallende sterren in de atmosfeer verbanden. Als grote brokstukken, zoals splinters van planetoïden, in de dampkring terecht komen, zien we een vuurbol en kan een restant op de aarde neerkomen: een meteoriet. In (BRON3.21) zie je het zonnestelsel.

Bron 3.20 Tapijt van Bayeux.
Kort nadat Willem de Veroveraar in 1066 met succes optrok tegen koning Harald, werd dit feit een in een beeldverhaal vastgelegd op een vele meters lang tapijt. Op dit Tapijt van Bayeux staat een ‘stella nova’, een nieuwe ster, afgebeeld in de vorm van een komeet. Een slecht voorteken voor Harald en tegelijkertijd een registratie van Komeet Halley.

Bron 3.21 Het zonnestelsel
Van dichtste bij de zon tot het verste weg van de zon:
Mercurius, Venus, Aarde, Mars, Planetoïdengordel, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunes, Pluto, Kuipergordel.

Hoe is het zonnestelsel ontstaan?
Volgens de natuurwetenschap is het zonnestelsel ontstaan uit een zich samentrekkende oerwolk van gas en stof. De zon ontstond in het centrum en zend door kernfusie straling uit. Daarbuiten ontstonden planeten en manen door samenklonterende materie.

Scheppingsverhalen.
In bijna elke godsdienst tref je, zoals in (BRON3.22), verhalen aan over hoe het heelal en de aarde zijn ontstaan. Wie bijvoorbeeld de Bijbel letterlijk neemt, komt op zes dagen voor het maken van hemel en aarde. Het geloof in de scheppende macht van een Opperwezen biedt veel mensen steun en inspiratie in het leven van alle dag. Natuurwetenschap heeft niet tot doel zulk geloof af te doen als onzin, maar geeft een eigen verklaring hoe op basis van natuurkrachten en –principes het zonestelsel kan zijn ontstaan.
Met onbemande ruimtetoestellen zijn op Pluto na alle planeten plus verschillende planetoïden en komenten van dichtbij gefotografeerd. De reeks ontdekkingen is te lang om op te noemen. Uit vele puzzelstukjes is geprobeerd een samenhangend beeld of model te maken van hoe ons planetenstelsel, de aarde en misschien wel het leven op aarde, is ontstaan, dat beeld is het scheppingsverhaal van de natuurwetenschap.

Bron 3.22
De stelling dat de wereld is geschapen, is ongegrond en moet worden verworpen. Als God de wereld schiep, waar was Hij dan vóór de Schepping? Hoe kon God de wereld hebben gemaakt zonder enige grondstof? Als je zegt: die maakte Hij eerst en daarná de wereld, dan ga je eindeloos verder terug. Weet dus dat de wereld ongeschapen is, zoals de tijd zelf, zonder begin en zonder eind.

Opmerkelijke eigenschappen.
Alle planeten en planetoïden draaien dezelfde kant op. Overal in het zonnestelsel zijn rotsachtige hemellichamen bedenkt met inslagkraters. Verder zien we relatief kleine, rotsachtige planeten een de binnenkant (Mercurius tot en met Mars) en grote gasplaneten aan de buitenkant (Jupiter tot en met Neptunus). Het zijn dit soort aanwijzingen die leidden tot een theorie waarin ons zonnestelsel ontstaan is uit een oerwolk van gas en stof. (BRON3.23). Of deze theorie wáár is weet je niet zeker, maar natuurwetenschappelijk onderzoek levert wel sterke aanwijzingen op. De Hubble Space Telescope kan zó scherp kijken dat hij elders in het heelal jonge sterren ziet waar écht een gas- en stofschijf omheen draait (BRON3.24). Bij andere sterren zijn ook planeten ontdekt. Planeetvorming speelt zich kennelijk op meer plaatsen in het heelal af. Ook blijkt dat de leeftijd van meteorieten nooit hoger is dan 4,5 miljard jaar. Maar op veel vragen over details van het vormingsproces is nog geen zinnig antwoord te geven.

Bron 3.23 Het ontstaan van het zonnestelsel.
De zon en het planetenstelsel zijn 4,5 miljard jaar geleden ontstaan uit een grote oerwolk van gas en stof die langzaam draaide. Bij het inkrimpen onder zijn eigen gravitatiekracht ontstond in het midden een grote gasbol: de zon. De zon is een ster. In het binnenste vinden kernreacties plaats. Daarbij komt energie vrij en dat levert de zonnestraling op. Meer naar buiten draaide gas en stof dat samentrok tot een platte schijf. Geleidelijk aan ontstonden in die schijf klonters van rotsachtig materiaal die elkaar aantrokken en planeten vormden. Vanwege de hitte van de jonge zon werd veel gas uit de binnenste planeten verdreven. De zware reuzenplaneten verderop konden wel grote hoeveelheden gas vasthouden. Jupiter verhinderde de vorming van een planeer in de huidige planetoïdengordel. In de laatste fase van de planeetvorming regenden talloze brokstukken neer op de planeten en hun manen. De inslagkraters die zij veroorzaakten zijn nog steeds te zien.

Bron 3.24 Stofschijven om de sterren in Orion.
De Hubble ruimtetelescoop fotografeerde deze donkere stofschijven die ongeveer even groot zijn als ons zonnestelsel. Het licht van de centrale ster wordt grotendeels nog door het stof geabsorbeerd.

3.4 oneindig heelal
Hoe bepaal je de afstand tot de sterren?
Voor afstanden tot maximaal 1000 lichtjaar kun je de parallaxmethode gebruiken. Voor grotere afstanden zijn andere methoden nodig. Het licht van de ster wordt 4× zo zwak als de ster 2× zo ver weg staat.

Sterrenbeelden.
Tot in de 16e eeuw dachten mensen dat de sterren als lichtpuntjes aan de binnenkant van een bol zaten. Alle sterren stonden voor hen op dezelfde afstand en vormden daar sterrenbeelden. Die bestaan uit patronen van heldere en zwakke sterren waarin mensen afbeeldingen zagen van goden, dieren en voorwerpen. Veel namen van sterrenbeelden zijn afkomstig uit de Griekse mythologie. Bekend zijn de Grote Beer – het steelpannetje – en het sterrenbeeld Cassiopeia. Andere sterrenbeelden zoals Vissen, Ram, Waterman en Leeuw horen tot de dierenriem. Ze liggen rond de ecliptica. Dat is een denkbeeldige lijn waarlangs – vanaf de aarde gezien – de zon in de loop van het jaar langs de hemel trekt.

Het zonnestelsel voorbij.
De Franse wetenschapper en filosoof René Descartes bedacht in de eerste helft van de 17e eeuw dat de zon niets bijzonders was, maar gewoon de dichtbijstaande ster. Zijn tijdgenoot Christiaan Huygens probeerde met dit idee de afstand tot de helderste ‘echte’ ster aan de hemel, Sirius, te meten. Hij liet zonnestralen vallen op een scherm met een gaatje erin dat zo klein was dat het lichtpuntje hem even helder leek als Sirius ’s nachts. Uit de verhouding tussen de afmeting van het gaatje en de diameter van de zon aan de hemel berekende hij dat Sirius ruim 27.000 keer zo ver weg moest staan. Zijn antwoord was fout, want Sirius staat nóg 25 keer verder weg. Maar hij was wel één van de eerste die ontdekte dat het heelal veel groter is dan alleen ons zonnestelsel.

De parallaxmethode.
In (BRON3.25) staat hoe je het verschijnsel parallax kunt gebruiken om afstanden te meten. Uit de heel kleine jaarlijkse verschuiving aan de hemel als gevolg van de beweging van de aarde om de zon blijkt dat de dichtstbijzijnde ster op 40.000.000.000.000 kilometer afstand staat. Dat is een onhandig groot getal. Sterrenkundigen gebruiken daarom een andere eenheid dan de kilometer: het lichtjaar. Dat is de afstand die het licht in één jaar aflegt met de lichtsnelheid(300.000 km/s). De dichtstbijzijnde ster, Proxima Centauri, staat ongeveer 4,2 lichtjaar ver weg. Het licht van de ster doet er dus 4,2 jaar over om ons te bereiken. Je zou ook kunnen zeggen: bij die ster kijken we 4,2 jaar terug in de tijd! En dat is nog maar de dichtstbijzijnde ster…
Met de parallaxmethode zijn afstanden bepaald tot maximaal ongeveer 1000 lichtjaar. Voor grotere afstanden hebben sterrenkundigen andere technieken nodig. In (BRON3.26) zie je hoe sterren die vanaf de aarde gezien een samenhangend sterrenbeeld kunnen vormen, in de ruimte op heel verschillende afstanden staan.

Bron 3.25
Door de jaarlijkse beweging van de aarde in de baan om de zon zien we nabije sterren een beetje heen en weer schuiven ten opzichte van de verder weg gelegen sterren in de achtergrond. De mate waarin dat gebeurt, de verschuivingshoek of de parallax, wordt kleiner als de afstand groter wordt.

Hoe weet je dat het heelal uitdijt?
Hubble ontdekte dat je uit de spectra van sterrenstelsels kunt afleiden met welke snelheid deze sterrenstelsels van ons afbewegen. Hij ontdekte ook: hoe groter de snelheid van zo’n sterrenstelsel, hoe verder het van ons af staat. Dit is de Hubble-relatie. Hij leidde daaruit af dat het heelal zo’n 13,7 miljard jaar geleden moet zijn begonnen met uitdijen, na de oerknal of Big Bang.

Sterrenstelsels.
In (BRON3.27) zie je het melkwegstelsel, dat je op heldere, maanloze avonden ook zelf als een zwak oplichtende band aan de hemel kunt zien. De zon bevindt zich in de buitengebieden van de grote platte sterrenschijf met een bult in het midden. Er staan meet dan 100 miljard sterren in dit stelsel. Op maanloze nachten kun je in het sterrenbeeld Andromeda met het blote oog een heel wazig vlekje zien dat niet tot het melkwegstelsel behoort. Met een verrekijker zijn nog meer van die vlekjes te zien. In de achttiende eeuw vond met ze knap hinderlijk bij het zoeken naar nieuwe kometen. Om verwarring te voorkomen legde de Fransmans Charles Messier een lijst aan van ruim honderd van die neveltjes. Die in Andromeda kreeg het nummer M31. de steenrijke Lord Rosse wilde het raadsel van dit soort neveltjes oplossen. Hij pakte het grootst aan en liet een voor die tijd gigantische telescoop bouwen met twee 4000 kilo zware spiegels van bijna 2 meter doorsnee. In februari 1845 nam hij hem in gebruik, in april vond hij het antwoord. Ver weg in het heelal liggen andere sterrenstelsels. Het melkwegstelsel is niet uniek en M31 blijkt onze naaste buur te zijn.

Afstand tot M31.
De Amerikaan Edwin Hubble was blij dat hij in 1919 uit militaire dienst kon. Bovendien vond hij zijn studie rechten maar saai. Hij besloot zich aan de sterrenkunde te wijden. Veel spannender, vooral omdat hij in 1923 met de toen grootste telescoop van de wereld mocht werken. Hij maakte nauwkeurige foto’s van M31 en ontdekte er sterren die op een regelmatige manier van helderheid wisselden. Plots realiseerde hij zich dat dit patroon ook voorkwam bij veranderlijke sterren in de Melkweg waarvan hij de afstand kende. Als het dezelfde soort sterren zouden zijn, kon hij uit het verschil in helderheid tussen de M31-sterren en de vergelijkbare sterren in het melkwegstelsel de afstand tot M31 bepalen! Want het licht van een ster wordt vier keer zo zwak als hij twee keer zo ver weg staat. Het sterrenstelsel in Andromeda bleek op meer dan een miljoen lichtjaar te staan.

Uitdijing en oerknal.
Hubble slaagde er in van steeds meer sterrenstelsels de afstand te bepalen door naar bepaalde sterren in die stelsels te kijken. In (BRON3.29) lees je dat hij uit het licht van sterren ook kon bepalen met welke snelheid de sterrenstelsels van ons af bewegen. En weer merkte hij iets merkwaardigs op. Het leek wel alsof de snelheid van de sterrenstelsels groter werd naarmate de afstand groter was. Dit verband tussen afstand en snelheid heet nu de Hubble-relatie. Hubble ontdekte dus dat alle sterrenstelsels van ons weg vliegen, alsof de ruimte waarin ze staan – het heelal – uitdijt. Maar als dat zo is, stonden die stelsels vroeger dichter bij elkaar. Wie de Hubble-relatie omdraait kan uitrekenen dat het heelal zo’n 13,7 miljard jaar geleden begonnen is met uitdijen. Toen moet het heelal ontstaan zijn, in één grote oerknal, de Big Bang. Daarbij ontstonden de bouwstenen van alle materie in het heelal. Voor kennis over het begin van het heelal is dus kennis over deze bouwstenen nodig. In (BRON3.30) staat hoe die kennis kan ontstaan.

Bron 3.29 Informatie uit licht.
Je weet dat licht bestaat uit de kleuren van de regenboog en dat zo’n kleurenband een spectrum heet. In spectra van sterren en sterrenstelsels kunnen dunne, donkere lijntjes voorkomen: de spectraallijnen. Ze ontstaan als licht door een gaswolk gaat. De plaats van de lijntjes hangt af van het soort gas. Daarom zijn spectraallijnen een soort streepjescode om de samenstelling van sterren en gaswolken te herkennen. In de spectra van sterrenstelsels staan de spectraallijnen niet op de goede plaats. Ze zijn naar de rode kant verschoven. Dat komt door het Dopplereffect. Dit effect kom je ook tegen bij geluid. Een sirene van een auto die van je vandaag rijdt, lijkt een lagere toon uit te zenden dan wanneer hij stilstaat. En hoe groter de roodverschuiving, des te sneller de sterrenstelsels van ons wegvliegen.