Comacluster van sterrenstelsels

• Scholieren leren de basis van sterrenstelselclassificatie door gebruik te maken van echte sterrenkundige data van de Hubble Ruimtetelescoop. Classificering is een wetenschappelijk gebruik dat van belang is in diverse wetenschapsgebieden; door een diversiteit van objecten in een kleiner aantal categorieën onder te verdelen, wordt het eenvoudiger om te zien welke eigenschappen door veel objecten gedeeld worden en om deze eigenschappen van representatieve objecten te bestuderen, in plaats van elk object afzonderlijk.
• Scholieren zullen een "morfologie-dichtheid effect" ontdekken en vervolgens hypothetiseren over de oorzaken van dit effect.

• Leerlingen zullen verschillende sterrenstelseltypen kunnen classificeren, gebaseerd op sterrenkundige foto's.
• Leerlingen zullen het belang van de classificatie van objecten uitleggen.
• Leerlingen zullen voorstellen doen voor watvoor sterrenstelsels welke vorm hebben.
• Leerlingen zullen het stellen van vragen en het plannen van onderzoek oefenen.
• Leerlingen zullen de ideeën bespreken dat er natuurkundig verschillende omgevingen in het heelal zijn waar sterrenstelsels zich in bevinden, dat sterrenstelsels interageren en dat er een verband is tussen omgeving en de morfologie van sterrenstelsels (het "morfologie-dichtheid effect" genoemd).
• Leerlingen zullen hypotheses maken over de oorzaak voor het morfologie-dichtheid effect.

De docent kan de antwoorden met de leerlingen bespreken en hen aanmoedigen om hun berekende waarden voor de verschillende typen sterrenstelsels in zowel het veld als het cluster te bespreken, alsmede hun antwoord op de laatste vraag over het morfologie-dichtheid effect. Het begrip van de leerlingen kan worden beoordeeld aan de hand van een discussie, zoals aangegeven in de activiteit, en door het werk te laten inleveren en nakijken. Aangezien deze activiteiten het begrip van leerlingen testen, is een verdere toets niet nodig. Een voorstel voor het geven van punten wordt hieronder gegeven.

Voorstel voor het geven van punten

• Tabel 1: 5 punten - leerlingen geven een duidelijke verklaring voor het classificatiesysteem dat ze bedenken
• Table 2: elk 2 punten - Antwoorden (E/S0/SB0 - 2, 6, 9), (S - 1, 8, 12), (SB - 3, 4, 10), (IR - 5, 7, 11)
• Tabellen 3, 4 en 5 (sterrenstelsels tellen): niet beoordeeld - gebaseerd op de subjectieve interpretatie van de leerlingen.
• Tabel 6 and berekeningen: 30 punten - Beoordeeld op compleetheid, niet nauwkeurigheid. Leerlingen zullen verschillende antwoorden krijgen, maar de wiskunde moet kloppen. Antwoorden voor de percentages zijn meestal van de volgende orde: (Cluster: E 50%, L 30%, S 20%) (Field: E 20%, L 10%, S 70%). Leerlingen vinden meestal een hoger percentage spiraalstelsels in het veld.

Hypothesevraag: 30 punten - De hypothese van een leerling zou ten minste de effecten van interacties en het verlies van gas door ram pressure moeten bevatten, om te verklaren hoe in clusters vroegere gasrijke spiraalstelsels in de gasarme elliptische en lensvormige sterrenstelsels van nu veranderd zijn.

• Foto’s van 40 sterrenstelsel.
• Sterrenstelselkaarten A tot en met D.

Classificatie van sterrenstelsels:

Sterrenkundigen classificeren sterrenstelsels op basis van hoe ze eruit zien in drie hoofdcategorieën: elliptische, spiraalvormige en onregelmatige sterrenstelsels. Edwin Hubble bedacht dit classificatiesysteem als eerste. Hubble dacht eerst dat het ‘stemvorkdiagram’ de evolutionaire ontwikkeling van sterrenstelsels weergaf. Dit bleek onjuist te zijn, maar sterrenkundigen gebruiken deze categorieën en labels nog steeds om sterrenstelsels te beschrijven.

De belangrijkste sterrenstelseltypen:

Elliptische (E), lensvormige (S0), lensvormig met balk (SB0), spiraalvormig (S), balkspiraal (SB) en onregelmatig (IR voor irregular). Meer details in de beschrijving van de activiteiten.

Een extra sterrenstelseltype:

Interagerend: bestaat uit twee of meer sterrenstelsels die zo dicht bij elkaar zijn dat ze elkaars vorm beïnvloeden.

Data gebruikt in deze activiteit:

De gegevens die in deze activiteit gebruikt worden zijn foto’s van de Comacluster van sterrenstelsels, genomen met de Hubble Ruimtetelescoop. Ze zijn genomen in 2006 met het Advanced Camera for Surveys (ACS) instrument op de Hubble Ruimtetelescoop.

Omgevingen van sterrenstelsels:

Sterrenstelsels bevinden zich overal in het heelal, in een verscheidenheid van omgevingen. Sterrenstelsels kunnen gevonden worden in clusters, groepen, of geïsoleerd.

Groepen:

Een groep van sterrenstelsels is een klein aantal sterrenstelsels dat door de onderlinge zwaartekracht bij elkaar wordt gehouden. De Lokale Groep bevat ons eigen Melkwegstelsels, onze naaste buren de Magelhaense wolken, de Andromedanevel en enkele tientallen kleinere sterrenstelsels.

Veld:

Soms worden sterrenstelsels geïsoleerd en ver van elkaar in het veld gevonden. Dit worden dan veldsterrenstelsels genoemd.

Clusters:

Een cluster van sterrenstelsels is een grote structuur in het heelal die honderden of duizenden sterrenstelsels bevat, die door hun onderlinge zwaartekracht bij elkaar gehouden worden. Dit grote aantal sterrenstelsels in een cluster zit erg dicth op elkaar, zoals in de Comacluster. Clusters vormen soms de grootste en dichtste structuren in het heelal. Clusters, groepen en sommige geïsoleerde sterrenstelsels kunnen allemaal deel uitmaken van nog grotere structuren die superclusters worden genoemd; op de allergrootste schaal in het zichtbare heelal vormen superclusters zogenaamde muren om gigantische superholtes. Deze structuur wordt soms het ‘kosmische web’ genoemd.

Leerlingen zullen eerste de foto’s van 40 sterrenstelsels onderzoeken om bekend te worden met hoe sterrenstelsels eruit zien en watvoor verschillende vormen ze hebben. Ze zullen hun eigen classificatiesysteem voor sterrenstelsels bedenken en vervolgens onderzoeken hoe sterrenkunden in de praktijk sterrenstelsels onderverdelen in vier hoofdgroepen.

Stap 1

Vertel de leerlingen het volgende: De figuur hierboven bevat een raster van 40 sterrenstelsels. Deze foto’s zijn genomen met de Hubble Ruimtetelescoop en laat de verscheidenheid van vormen zien die sterrenstelsels kunnen hebben. Toen sterrenkundige Edwin Hubble deze verschillende sterrenstelseltypen begon te onderzoeken in de jaren ’20 van de vorige eeuw, ontwikkelde hij een manier om ze te organiseren en categoriseren. Hij maakte een classificatiesysteem waarbij sterrenstelsels die op elkaar leken in dezelfde groep werden geplaatst.

Jullie gaan nu hetzelfde doen. Bedenk je eigen typen voor de sterrenstelsels hierboven. Vul de table in het werkblad in. Geef in de tabel een beschrijving van die typen en drie voorbeelden voor elk.

Stap 2

Discussie: Vraag de leerlingen om hun classificatiesystemen met elkaar te delen. Mogelijke discussiepunten:

• Wat zijn significante overeenkomsten tussen verschillende systemen?
• Significante verschillen?
• Argumenten om bepaalde sterrenstelsels onder te verdelen?
• Waarom ontworpen de leerlingen hun systeem op de manier die ze kozen?
• Wat zouden compleet andere classificatiesystemen kunnen zijn, b.v. als je andere gegevens over deze sterrenstelsels zou hebben?
• Waarom is het belangrijk (of niet) om de dingen die we ontdekken te classificeren?
• Kunnen classificatiesystemen misschien in de loop van de tijd veranderen?

Men kan later op deze discussiepunten terugkomen. (Waarschijnlijk komen op zijn minst enkele leerlingen op een classificatiesysteem gebaseerd op de vormen van de sterrenstelsels – zo niet, moedig hen na de discussie dan aan om andere systemen te bedenken die wel op vorm gebaseerd zijn.)

Prompt leerlingen om waarnemingen te doen en vragen te stellen gebaseerd op hun analyse van de foto’s tot zover, laat ze deze analyse in groepen bespreken en opschrijven. Het doel is om tot de vraag te komen: “Waarom hebben verschillende sterrenstelsels verschillende vormen?” Moedig leerlingen vervolgens aan om te bediscussiëren en vragen en ideeën op te schrijven over waarom sterrenstelsels misschien verschillende vormen hebben – bijvoorbeeld

• Zijn sterrenstelsels allemaal in verschillende vormen gemaakt, of begonnen ze allemaal met dezelfde vorm en zijn ze vervolgens geëvolueerd?
• Watvoor verschillende geschiedenissen zouden verschillende sterrenstelsels kunnen hebben (in het bijzonder met betrekking tot hun vormen)? (moedig leerlingen aan in de richting van sterrenstelsels die met elkaar interageren)
• Zou de evolutie van de vorm van een sterrenstelsel het gevolg kunnen zijn van interne of externe processen? (b.v. iets wat eventueel met alle sterrenstelsels gebeurd, of iets dat een gevolg is van een interactie met een ander sterrenstelsel)
• Is de vorm van sterrenstelsels misschien gerelateerd aan hun oorspronkelijke formaat?
• Zijn de vormen die we waarnemen tijdelijk of blijven ze voor lange tijd intact?

Moedig leerlingen, terwijl ze over dit soort ideeën nadenken, aan om te bediscussiëren hoe ze de antwoorden op deze vragen kunnen onderzoeken. (Misschien denken sommige leerlingen dat de interacties tussen sterrenstelsels belangrijk zijn en dat het een goed idee is om te kijken naar gebieden waar er veel sterrenstelsels zijn, zodat er veel interacties zijn. Of ze zelf met dit idee komen of niet, de discussie zal hen later in de activiteit van pas komen als ze de redenering achter dit idee moeten volgen.)

Stap 3

Vertel de leerlingen: Astronomen hebben hun eigen classificatiesysteem voor sterrenstelsels ontwikkeld. Het systeem is gebaseerd op de vorm (of “morfologie”) van sterrenstelsels. De definities van de belangrijkste sterrenstelseltypes zijn hieronder weergegeven. Gebruik deze definities om de 12 sterrenstelsels in de bovenste figuur in hun categorie te plaatsen. Vul de tabel in.

• Elliptisch (E): sterrenstelsel met een ronde of elliptische vorm (zoals een rugbybal); het heeft geen platte schijf of spiraalarmen.
• Lensvormig (S0): sterrenstelsel met een egale, platte schijf zonder spiraalstructuur; vaak moeilijk te onderscheiden van de elliptische stelsels.
• Lensvormig met balk (SB0): net als de lensvormige stelsels, maar met een langgerekte (balkvormige) kern (centrale verdikking).
• Spiraal (S): sterrenstelsel met een platte schijfvorm, met een duidelijk spriaalpatroon in het buitenste deel van de schijf; heeft ook een grote, heldere centrale verdikking.
• Balkspiraal (SB): een speciaal type spiraal, gekarakteriseerd door een langgerekte kern met spiraalarmen die beginnen aan de uiteinden van de balk.
• Onregelmatig (IR, voor irregular): een vreemdvormig sterrenstelsel dat niet in

Note: De kleinste sterrenstelsels worden vaak dwergsterrenstelsels genoemd (nr. 5 en nr. 7 zijn dwergsterrenstelsels). Deze bevatten slechts een paar miljard sterren - een klein aantal vergeleken met de 200 tot 400 miljard van de Melkweg. De grootste elliptische stelsels hebben enkele biljoenen sterren. Bespreek: Hoe verhoudt het classificatiesysteem van de sterrenkundigen zich tot de systemend die de leerlingen bedacht hebben?

Stap 4

Vertel de leerlingen: Gebruik de figuur hierboven en de richtlijnen om te bepalen hoe we sterrenstelsels identificeren en tellen.

Richtlijnen:

• I) Elliptische of lensvormige sterrenstelsels: het kan moeilijk zijn om die uit elkaar te houden. Als je weet dat het een E of een S0 / SB0 is, dan mag je tussen die twee raden.
• II) Spiralen en balkspiralen: het kan moeilijk zijn om die uit elkaar te houden. Als je weet dat het een S of een SB is, dan mag je tussen die twee raden.
• III) Onregelmatig sterrenstelsel.
• IV) Onzeker: een sterrenstelsel gezien van de zijkant kan mogelijk een S0, SB0, S, SB of IR zijn. Dat zijn te veel mogelijkheden, dus deze tel je niet.
• Star) Een object met een kruis of ‘crosshair’ erover is een voorgrondster binnen het Melkwegstelsel, dus deze tel je niet.
• ?) Tel geen kleine, vage objecten zoals deze, omdat die te moeilijk te classificeren zijn.

Stap 5

Download de “Sterrenstelselkaarten” en tel de sterrenstelseltypen die je in elke figuur ziet. Tel het aantal sterrenstelsels van elk morfologisch type en schrijf het nummer op de juiste plek in de tabel.

Stap 6

Vertel de leerlingen: Er zijn sterrenstelsels in het hele heelal, van onze naaste buren - de Magelhaense wolken en de Andromedanevel - tot aan het einde van het zichtbare heelal, meer dan 13 miljard lichtjaar ver weg. Sterrenstelsels bevinden zich in diverse omgevingen. Soms zitten er grote aantallen dicht opeen gepakt in clusters, zoals de Comacluster; some zitten er kleinere aantallen bij elkaar die we groepen noemen, zoals de Lokale Groep die de Melkweg bevat; en soms zitten ze ver van elkaar in het veld. De tabel hieronder laat de verschillende eigenschappen zien an de verschillende typen sterrenstelselomgevingen.

Zie tables in het werkblad.

Stap 7

Vraag de leerlingen om over de volgende vragen na te denken en ze vervolgens in groepen te bespreken: Welke trends zie je in de gegevens die je hierboven geanalyseerd hebt? Zie je iets van waar bepaalde typen sterrenstelsels vaker voorkomen? (Extra hint: Zie je over het algemeen meer spiraalstelsels in de dichte cluster of in het veld? En elliptische stelsels?) Leerlingen zouden moeten zien dat spiraalstelsels vaker voorkomen in het veld en dat we in dichte clusters meer elliptische stelsels vinden. Vervolgvraag: Vind je dit verrassend? Het doel is om leerlingen vragen te laten stellen zoals: "Waarom hangt het aantaal spiraalstelsels (of elliptische stelsels) af van waar het sterrenstelsel zich bevind?" Laat leerlingen ideeën bespreken en opschrijven over waarom sterrenstelseltype lijkt af te hangen van waar het sterrenstelsel zich bevindt. Vraag leerlingen hoe ze hun ideeën zouden kunnen toetsen: Watvoor voorspellingen volgen er uit hun ideeën? Welke extra waarnemingen of informatie zouden ze willen hebben? Hoe kunnen ze deze trend met de beschikbare gegevens kwantificeren?

Stap 8

De volgende stappen leggen uit hoe leerlingen deze trend kunnen onderzoeken, eerst door hem te kwantificeren en vervolgens door extra informatie over de vorming en evolutie van sterrenstelsels te lezen. Je kunt ze exact vertellen wat ze moeten doen, zoals hieronder staat aangegeven. - Nog beter, laat hen in groepen bespreken hoe ze hun voorstel kunnen onderzoeken, te beginnen met hoe de trend gekwantificeerd moet worden en hen vervolgens zelf procedures laten verzinnen voor de berekeningen hieronder.

Gebruik een rekenmachine om het percentage van elk sterrenstelseltype in cluster en veld te bepalen (negeer IRs en INTs). Gebruik je aantallen van de tabel hierboven om de percentages te berekenen en vul vervolgens open ruimtes hieronder in:

In de cluster:% elliptische stelsels (e / h) = % % lensvormige stelsels (f / h) = % % spiraalstelsels (g / h) = % In het veld:% elliptische stelsels (i / m) = % % lensvormige stelsels (j / m) = % % spiraalstelsels (k / m) = % Vraag: Waar vond je een hoger percentage spiraalstelsels - in de cluster of in het veld? Antwoord: __

Vertel de leerlingen: De percentages die je zojuist gevonden hebt, vertellen ons welk type sterrenstelsels vaker voorkomen in de Comaclluster vergeleken met welke types vaker voorkomen in het veld. Sterrenkundigen hebben ditzelfde experiment gedaan met honderdduizenden sterrenstelsels in het nabije heelal en hebben gevonden dat de volgende percentages redelijk typisch zijn:

• In dichte clusters zijn 40% van de sterrenstelsels elliptisch, 50% zijn lensvormig, en 10% zijn spiraalstelsels.
• In het veld zijn 10% van de sterrenstelsels elliptisch, 10% zijn lensvormig, en 80% zijn spiraalstelsels. Als sterrenstelsels zich dicht bij elkaar bevinden, zijn er meer elliptische en lensvormige stelsels. Als sterrenstelsels ver uit elkaar liggen, zijn er meer spiraalstelsels. Sterrenkundigen noemen dit het "morfologie-dichtheid effect." Deze term betekent in feite dat in drukke sterrenstelselomgevingen, zoals clusters, bepaalde typen sterrenstelsels vaker voorkomen dan in open omgevingen, zoals het veld.

Stap 9

Leerlingen zouden ondertussen (sinds Stap 7) de volgende vraag gesteld moeten hebben: "Waarom zien we meer elliptische en lensvormige stelsels in clusters en meer spiraalstelsels in het veld?" (Deze vraag kan ook anders geformuleerd worden: "Waarom zien we het morfologie-dichtheid effect?") Misschien hebben ze ook het idee gehad dat interacties een rol spelen, en misschien zelfs dat interacties vaker plaatsvinden in dichte omgevingen, zoals midden in een cluster. Hieronder staat informatie die gebruikt kan worden om deze vraag te beantwoorden. Je kunt de leerlingen deze tekst geven om te lezen, hen vervolgens laten discussiëren en een verklaring voor het effect laten opschrijven; of je kunt doorgaan met hen te motiveren om te brainstormen en mogelijke verklaringen te bespreken, hen eventueel onderzoek laten doen in tekstboeken of op het internet, alleen of in groepen, en hen vervolgens hun verklaringen met elkaar te laten delen.

Verklaring: Veel sterrenstelsels bevatten wat sterrenkundigen "gas" noemen, wat meestal waterstofgas betekent, soms gemengd met gassen van andere elementen en soms ook gemengd met stof. Gaswolken kunnen door de zwaartekracht ineen storten, wat leidt tot stervorming. Sterrenkundigen hebben veel spiraalstelsels (S en SB) onderzocht en gevonden dat de meeste van deze sterrenstelsels veel gas bevatten en momenteel veel nieuwe sterren vormen. Elliptische en lensvormige stelsels (E, S0 en SB0) zijn gasarm en maken niet veel nieuwe sterren. Sterrenstelsels die dicht op elkaar zitten, zoals die in clusters, ondergaan vaak gewelddadige interacties met elkaar. Wanneer een gasrijk spiraalstelsel interageert met een ander sterrenstelsel, dan maakt het meestal heel snel al zijn gas op om nieuwe sterren te maken, zodat er weinig gas achterblijft. Sterrenstelsel-sterrenstelsel interacties veranderen vaak gasrijke sterrenstelsels in gasarme sterrenstelsels. Veel lensvormige stelsels zijn de overblijfselen van oude spiraalstelsels die hun gas verloren hebben, terwijl veel elliptische stelsels de overblijfselen zijn van spiraalstelsels die gebotst zijn. Clusters van sterrenstelsels zijn meestal gevuld met extreem heet gas, dat verspreid is tussen de sterrenstelsels door de hele cluster. Er is echter geen heet gas in het veld. Spiraalstelsels kunnen zogenaamde "ram pressure" ondergaan als zij zich door het hete gas voortbewegen. De ontstane druk kan ervoor zorgen dat het spiraalstelsel vrijwel al zijn gas kwijtraakt. Zo verandert een gasrijk spiraalstelsel al snel in een gasarm lensvormig stelsel. Het is lastig voor spiraalstelsels om te overleven in een omgeving met zoveel superheet gas.

Zoals je ziet, veranderen en evolueren sterrenstelsels in de loop van de tijd, en de sterrenstelsels die wij vandaag de dag in het nabije heelal bestuderen hebben al een hele lange geschiedenis achter .

Extra activiteit

Zoo citizen science programme: http://www.space-awareness.org/nl/games/galaxy-zoo/

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Our wonderful Universe, Galaxies

National Curricula USA

Next Generation Science Standards, content Standard in 9-12 Science as Inquiry (Abilities necessary to do scientific inquiry, Unders and Content Standard in 9-12 Earth and Space Science (Origin and evolution of the universe)

National Curricula UK

GCSE, KS3 ,A level: Physics - Edexcel; OCR A; WJEC