Sterren in het heelal

Dr J. Meulstee , neuroloog / klinisch neurofysioloog CWZ.

De sterren in het heelal.

Voordracht voor de VOMS-CWZ op 11 januari 2017.

Na een korte introductie werd besproken hoe men zelf de sterrenhemel kan aanschouwen. Van belang is om een periode van 30 minuten in acht te nemen ten behoeve van de donkeradaptatie. Pas dan werken de kegeltjes in de retina optimaal in het donker. Vanzelfsprekend is het van belang een donkere waarneemplaats te zoeken. Wanneer het dan zo ver is kan men zich in de eerste plaats binnen een paar uur vergewissen van de aardrotatie, één rondje per 24 uur, dat te zien is aan de beweging van de sterrenhemel van oost naar west c.q. van links naar rechts. Wanneer men de sterrenhemel waarneemt op hetzelfde tijdstip bijv. 20 uur, maar op verschillende data, kan men ook het effect waarnemen van de beweging van de aarde om de zon in één jaar tijd. Op deze wijze kan men door het gehele jaar verschillende aspecten van de sterrenhemel zien. d.w.z. dat vele sterrenbeelden de revue passeren. Om enigszins de weg te vinden kan men een zogenoemde draaibare sterrenkaart raadplegen ofwel de Sterrengids 2017. Wel dient men dan zwak rood licht te gebruiken om de donker adaptatie niet te bederven; de staafjes zijn nl. voor rood licht vrij ongevoelig. Besproken werden enkele eigenschappen van sterren. Als eerste de afstanden ervan en de techniek van het bepalen van de afstanden met de parallax methode. Afstanden plegen uitgedrukt te worden in lichtjaar. Dit is de afstand, die het licht in één jaar aflegt. Om een idee te krijgen van de lichtsnelheid: 7 maal rond de aarde in één seconde. De afstand van de zon tot de aarde bedraagt 8 lichtminuten. Door de Europese satelliet GAIA kan men van een miljard sterren de afstanden bepalen. De diepte is maximaal 300.000 lichtjaar. Een andere eigenschap, die men met het blote oog kan zien is kleur. Deze verraadt de oppervlakte temperatuur. Wat ook opvalt is dat er helderheidsverschillen waarneembaar zijn. Men spreekt van de schijnbare helderheid van een ster. Als men de afstand kent, dan weet men ook de werkelijke lichtkracht te bepalen. Wanneer men vervolgens de sterren sorteert naar temperatuur (kleur dus) en werkelijke lichtkracht, dan kan men sterren weergeven in het voor sterrenkundigen extreem belangrijke Herzsprung-Russell diagram.

Het hoofdthema van de voordracht is het fenomeen ster. Besproken werd dat de enorme hoeveelheid stralingsenergie, waaronder warmte en licht, die de zon (als voorbeeld van een voor ons zeer bekende ster) al 4.5 miljard jaar onveranderlijk uitstraalt en dit ook nog een even lange periode zal doen, tot stand komt door het proces van de fusie van 4 waterstofatoom kernen tot één heliumatoom. Aangezien 4 waterstofatomen meer wegen dan één heliumatoom en volgens een belangrijke natuurwet energie niet verloren kan gaan, is begrijpelijk dat de verdwenen massa in energie om wordt gezet volgens Energie=Massa * de lichtsnelheid in het kwadraat. Dit betekent dat 1 gram waterstof na fusie in helium 160 miljoen kcal oplevert. Het is dus een zeer exotherme reactie, die weer andere waterstofatomen doet fuseren tot helium, waardoor dan een kettingreactie tot stand komt. Dit is de energiebron van de ster en dus ook van de zon. Wat doet nu deze kernreactie ontstaan, hoe komt de detonatie tot stand. Dit gebeurt door contractie van wolken in de interstellaire materie, die bestaat uit stof en gas. Wanneer de compressie zó hoog is dat temperatuur en druk gigantische waarden aannemen, dan komt er waterstof fusie tot stand en daarmee de ketting reactie. De ster is dan “geboren”.

Is de begin massa van de “moederwolk” te klein dan komt er een misgeboorte: een bruine dwerg genoemd.

Is echter de massa van de wolk groter, dan ontstaan sterren zoals onze zon. Onze zon kan 9 miljard jaar schijnen; vergelijk dit met de leeftijd van ons heelal: 13,7 miljard jaar. Wanneer de waterstof omgezet is in helium, dan is de zon bijna ten einde. Ze zwelt op tot een rode reuzenster en, omdat de kernfusie geen tegendruk meer levert, krimpt ze in een onder rustig uitstoten van materie, die aanleiding geeft tot prachtig gevormde planetaire nevels. De ster zelf “eindigt” als een witte dwerg ster, die de grootte heeft van de aarde. Een liter materie van zo’n witte dwergster weegt op aarde 60 ton.

Wanneer de massa van de moeder wolk nog groter is dan is er hetzelfde scenario. Het essentiële verschil is echter, dat door de reusachtige hoeveelheden massa de druk en temperatuur aanzienlijk groter is dan zon-achtige sterren. Het gevolg is andere kernfusie reacties in kettingreactie vorm voorkomen, zolang het maar een exotherme reactie is; zo niet dan stopt de fusie en ook de stralingsdruk. Het zwaarste element dat door fusie tot stand komt is ijzer. Ook deze ster zwelt eerst op tot rode superreus en vervolgens stort de ster binnen enkele uren tot een dag volledig in elkaar. De druk is zo hoog dat protonen en elektronen veranderen in neutronen; de neutronenster is tot stand gekomen. De materiedichtheid wordt dan zo hoog, dat een vingerhoed vol materie een paar miljoen ton zou wegen op aarde. De diameter van een neutronen ster is zo groot als die van een stad. Omdat de diameter zo drastische afneemt moet volgens de wet van behoud van energie de draaisnelheid toe nemen (vergelijk een schaatsster in een pirouette, die de armen intrekt en daardoor sneller gaat draaien). Alles dat draait in het heelal wekt een magnetisch veld op (ook bij de aarde: het dynamo-effect). Bij de neutronenster is dat enorm sterk en veroorzaakt 2 toetervormige stralingsvelden. Wanneer de aarde in zo’n veld ligt (vuurtoren effect), dan kan met zeer regelmatige pulsen van radiostraling waarnemen; men spreekt dan van een pulsar. Er zijn daar al vele van ontdekt. Ook stoot de in één stortende ster onwaarschijnlijk veel licht uit. Er ontstaat dan een nieuwe ster aan het firmament (supernova). De explosie veroorzaakt ook fraai gevormde kleurige grillige nevels. Een bekend scenario is de explosie van een ster in sterrenbeeld de Stier, welke in 1054 als supernova is waargenomen door Chinese astronomen. Heden is het restant nog zichtbaar als de Krabnevel, zogenoemd van wege de krabvormige structuur. Onder meer is hier ook een pulsar gedetecteerd. Bij de explosie worden elementen gevormd, die zwaarder zijn dan ijzer. Op deze wijze is het goud, dat wij als sieraad dragen meer dan 4.5 miljard jaar geleden tot stand gekomen.

Wanneer de moederwolk nog zwaarder was ontstaat een neutronenster met extreem hoge dichtheid en zeer klein volume, misschien wel ter grootte van een punt (singulariteit genoemd). De zwaartekracht is daar dan zo groot dat zelfs licht niet kan ontsnappen en licht dat er langs scheert op weg naar de aarde op dit hemellichaam valt. Dit ziet er uit als een donker vlek a.h.w. Dit is de reden om dit dan een zwart gat te noemen. De ruimte eromheen is sterk gekromd; iets dat wij ons nier kunnen voorstellen in een beeld. Recent is het bestaan van zwarte gaten onder andere “bewezen” door waarneming van zwaartekrachtsgolven (rimpels in de kromming van de ruimte) door samenvallen van 2 om elkaar cirkelende zwarte gaten.

De spreker heeft de hoop uitgesproken dat het auditorium een beetje enthousiast voor de sterrenkunde is geworden en dat zij eens zelf de sterrenhemel met eigen ogen gaat aanschouwen met de besproken kennis van de sterren in het heelal.