Van stralende sterren naar zwarte gaten

  1. Home
  2. /Kenniscafé
  3. /Het KennisCafé in 2011
  4. /Verslag mei '11
  5. /Van stralende sterren naar...

Door Bernadet Timmer, communicatie gemeente Almere

In de nieuwe bibliotheek ging de blik van de bezoekers naar boven, nog voorbij de afdeling met spannende verhalen, wetenschappelijke verslagen en studiezalen. Want de deelnemers aan het Almeerse KennisCafé keken eind mei naar de sterren, door de ogen van drie astronomen.

De oerknal, zwarte gaten, tweelingsterren en het ontstaan van de elementen: we bestuderen de sterren en aanverwante onderwerpen al eeuwen. Waarom doen we dat? En wat levert het op?
Dr. ir. Saskia Hekker van het Anton Pannekoek Instituut van de Universiteit van Amsterdam onderzoekt sterren op lichtjaren afstand. Sterrenkundige dr. Rien Dijkstra buigt zich bij het SRON Netherlands Institute for Space Research over koolmonoxidegas in de aardatmosfeer. Daarnaast houdt hij lezingen over het ontstaan van de elementen. Zijn collega dr. Peter Jonker heeft gekozen voor zwarte gaten als specialisme.

Sterren
Sterren bestaan in verschillende soorten en maten. Onze zon bijvoorbeeld is een relatief kleine ster met een straal van 105 km. Er zijn inmiddels sterren ontdekt die 100 keer zo zwaar of 100 keer zo groot als de zon zijn. Sterren worden geboren en ‘sterven’ uiteindelijk. Als de waterstof op is, gaat een ster over op de verbranding van helium. Daardoor wordt de kern heter en de buitenkant groter en koeler. Hij zwelt op tot een rode reus. Grote sterren kunnen exploderen en veranderen in zwarte gaten.

Hoe onderzoek je sterren? “Je kunt kijken naar het licht”, zegt Hekker. “Met ruimtetelescopen kijken we bijvoorbeeld elk uur hoe helder een ster is. Sterren ‘trillen’: de buitenste laag is heel turbulent, als een kolkende rivier. Deze turbulentie zorgt ervoor dat de gehele ster gaat trillen, vergelijkbaar met het geluid dat je hoort wanneer water in een pannetje gaat koken. We kijken naar de variatie in de lichtintensiteit en gebruiken de frequentie waarmee de lichtintensiteit verandert om af te leiden hoe een ster in elkaar zit. Hoe groter de ster, hoe langer de trillingsperiode. Ook kunnen we de dichtheid en de massa van de ster afleiden.” Op internet zijn stertrillingen hoorbaar gemaakt: http://www.konkoly.hu/stellarmusic/music.html.

Kepler
We willen graag weten hoe groot de kern van een ster is, zodat we erachter kunnen komen hoe een ster precies in elkaar zit. Dat doen we onder meer met behulp van de Keplersatelliet, in samenwerking met de NASA. Deze satelliet is ontwikkeld om planeten rond andere sterren, liefst lijkend op de aarde, te ontdekken. Wij zijn vooral geïnteresseerd in de sterren zelf; de straal van de ster is van belang om de straal van de planeet af te leiden. De straal van de ster kunnen we met een nauwkeurigheid van 2 tot 5% bepalen aan de hand van de stertrillingen. In een volgende stap kunnen we mogelijk ook de samenstelling van de planeet bepalen door het licht van verschillende kleuren van de planeet te isoleren en daaruit af te leiden welke chemische elementen aanwezig zijn. Als een planeet op een bepaalde afstand van de ster staat, kan er vloeibaar water aanwezig zijn. Dit heet de ‘habitable zone’.

Doppler
Aan de hand van de licht variatie kun je nog niet zien hoe ver een ster van ons af staat. Dat meten we met een ‘parallax’, op basis van de afstand aarde/zon en de ster zelf. Bewegingen naar ons toe en van ons af kun je meten dankzij de verandering in frequentie (het Doppler-effect, net als wanneer een ambulance voorbijrijdt), maar dan met licht.

Terugverdienen
Wat kunnen we met die kennis? Hekker: “Je kunt ervan genieten! Het is belangrijk voor de mensheid dat we aan kennisvergaring doen. Bijvoorbeeld om te weten hoe we aan het ijzer op aarde komen.” Jonker vult aan: “Van de technische ontwikkelingen kun je wel wat gaan merken. Bij het ontwikkelen van satellieten zie je toepassingen terug in het dagelijks leven.” Ook bedrijven zien de zin ervan in. Zo helpt Google bij de ontwikkeling van de megatelescopen in Chili. “Het is moeilijk zichtbaar te maken wat het oplevert. Het kost veel, maar draagt wel degelijk bij. Denk aan de ontdekking van de laser. Die heeft zichzelf dubbel en dwars terugverdiend. Je kunt niet voorspellen wat het over vijf of tien jaar gaat betekenen. Laat staan over vijftig of honderd jaar. Over het algemeen levert onderzoek geld op.”

Big Bang
Rien Dijkstra, een Almeerder, werkte voor zijn tijd bij SRON voornamelijk aan het onderzoeken van rode reuzensterren. Oude sterren, die veel materie verliezen en zich omringen met gas en stof (microscopisch kleine zand- en roetdeeltjes). Daaruit ontstond zijn interesse in het ontstaan van de elementen. Hij geeft onder meer lezingen over de oorsprong van chemische elementen, waarvan de eerste ontstonden tijdens de oerknal. “Dat is het moment waarop het heelal ontstond. Er waren direct daarna maar drie elementen aanwezig: waterstof, helium en lithium. Wat er daarvoor was, is moeilijk na te gaan, omdat tijd en ruimte feitelijk niet bestonden.” Het is dus geen ‘knal’ geweest zoals bij een normale explosie, maar kreeg de naam ‘Big Bang’ in maart 1949 van Fred Hoyle, een Engelse astronoom en wiskundige. En dat bleef hangen.

Volgens de oerknaltheorie zou het heelal gevuld moeten zijn met de rest- of achtergrondstraling van dat eerste moment. Later is dat inderdaad door waarnemingen bevestigd. “Het heelal dijt uit: het is kleiner geweest dan de atomaire deeltjes die we nu kennen. Met de drie ‘oerelementen’ die ontstonden in gaswolken, kun je sterren vormen. Door de zwaartekracht ontstonden bollen, waarvan de kern warm genoeg was om kernfusie op te wekken. Waterstof wordt daarbij omgezet in helium. In sterren die ongeveer één tot acht keer de massa van de zon hebben, ontstaat vervolgens zuurstof en koolstof uit helium. Tijdens de kernfusie wordt er massa omgezet in energie. Voor zwaardere elementen heb je hogere temperaturen en druk nodig, aanwezig in sterren die meer dan acht keer de massa van onze zon hebben. Zij ‘maken’ onder meer neon, silicium en ijzer.

Aan het eind van het leven van een ster is de brandstof op. Lichte sterren verliezen hun buitenste lagen, die zich vermengen met de omringende gaswolken. Zo komen er langzamerhand steeds zwaardere elementen in de ruimte. Bij supernova’s, zware sterren aan het eind van hun levenscyclus, gaat het sterven gepaard met een grote knal en wordt zeer veel materiaal de ruimte ingeslingerd.”

Leven en dood
Onze zon is ontstaan uit zo’n gaswolk. Rondom de zon ontstond een schijf met materie waarin zich andere hemellichamen zoals planeten vormden, waaronder de aarde. Die staat relatief dichtbij de zon en heeft daardoor niet zoveel waterstof en helium in haar atmosfeer kunnen vasthouden. Dichterbij de zon zijn de planeten klein en rotsachtig, zoals Mars, of hebben een grote ijzerkern, zoals Mercurius. Verder van de zon staan de zware gasreuzen.

Met kernfusie kun je de elementen tot en met ijzer maken (nummer 26 uit het Periodiek systeem der elementen). De andere elementen ontstonden waarschijnlijk bij de explosies van supernova’s. De chemische basiselementen die daarbij vrijkomen, kunnen neutronen invangen, die op hun beurt weer protonen kunnen vormen. Zo kom je aan zwaardere elementen. Alleen sterren die acht keer groter zijn dan de zon, kunnen exploderen. Onze zon is niet massief genoeg om te ontploffen. Die zal heel rustig sterven.
Dijkstra: “Je zou kunnen zeggen dat we allemaal uit sterrenstof zijn ontstaan. Ons materiaal is verbonden met de levenscyclus van sterren.”

Einstein versus kwantummechanica
Over de exacte oorzaak van de Big Bang wordt nog druk gespeculeerd. “Het heelal is zo ontzettend klein geweest, dat je niets met zekerheid over die beginomstandigheden kunt zeggen”, vertelt Dijkstra. “Daar begint de kwantummechanica. We proberen de relativiteitstheorie en de kwantummechanica nu samen te voegen, om de oerknal beter te begrijpen.”

Is het mogelijk dat er meerdere heelallen of Big Bangs zijn geweest? Dijkstra: “In theorie is het mogelijk, maar we hebben dat nog niet kunnen testen.” Jonker vult aan: “Een goede theorie moet een voorspelling doen. Je kunt zeggen: alle zwanen zijn wit, totdat je een zwarte zwaan ziet. Dan moet je je theorie aanpassen. Zo voorspelt de snaartheorie bijvoorbeeld deeltjes die we nu nog niet kennen. Dat testen we nu met de nieuwste deeltjesversneller Cern. Vinden we ze niet, dan deugt de theorie misschien niet.”

Donkere materie
Jonker: “In het heelal kun je meten hoe zwaar materie is aan de hand van bekende/zichtbare activiteiten. Naast alle massa die we kennen, blijft er nog 25% massa over, die we nog niet kunnen meten, maar er wel zou moeten zijn volgens onze voorspellingen. Een aantal wetenschappers probeert dat te verklaren door een andere werking van de zwaartekracht op zo’n grote schaal als het universum. Maar dat is tot nu toe niet bewezen.”

Zwaartekracht
Peter Jonker werkt bij SRON, ‘de Nederlandse Nasa’. “We maken (onderdelen van) satellieten voor Nasa, Esa en de Japanse ruimtevaartorganisatie Jaxa. Astronomen zoals wij maken daar weer gebruik van voor ons onderzoek. Wij doen het internationaal gezien heel goed. Amerika geeft ook veel beurzen aan Nederlandse onderzoekers.
Ik onderzoek zwarte gaten. Normaal gesproken voorkomt kernfusie dat de zwaartekracht de overhand neemt en de ster instort. Dit gaat goed totdat de brandstof voor de kernfusie in het centrum van de ster op raakt.” Aan het oppervlak van ieder hemellichaam heeft een object een ontsnappingssnelheid. Maar een zwart gat heeft zo’n enorme massa in zo’n kleine ruimte, dat zelfs licht niet kan ontsnappen. Het ‘valt’ in het zwarte gat. We weten deels hoe ze ontstaan; het gaat heel snel: zo’n explosie duurt een paar seconden. Alle elementen zijn dan opgebrand tot ijzer; verder smelten kost energie, elementen splijten ook. Dan wint de zwaartekracht.
“We begrijpen nog niet hoe de eerste zeer zware zwarte gaten, met massa's van meer dan miljoen keer die van de zon, zo snel na de oerknal zijn ontstaan.”

Dwergen
Onze zon wordt uiteindelijk geen zwart gat, maar een witte dwerg: de kern is wit van de hitte, maar produceert geen energie meer. Koelt hij af, dan wordt hij een zwarte dwerg. Bruine dwergen zijn hemellichamen die zich op dezelfde wijze vormen als sterren, maar een te kleine massa hebben om ooit kernfusie van waterstof op gang te brengen en een echte ster te worden.
Het eindstation van ons heelal is een verzameling neutronensterren, zwarte gaten en witte, bruine en zwarte dwergen. “We krijgen onze gegevens van verschillende telescopen en satellieten, die meten met röntgen- en zichtbaar licht. Ik ben zelf naar Chili geweest, waar ze telescopen hebben van 10 meter doorsnee. Ze bouwen er nu een van 42 meter doorsnee.”

Kleine zwarte gaten zijn ongeveer tien keer zo zwaar als de zon. Jonker: “Als je alle mensen op aarde in een luciferdoosje zou proppen, heb je ongeveer de dichtheid van een neutronenster. Een probleem in de zwaartekrachtstudie is de invloed van een zwart gat in het heelal. Een zwart gat is ongeveer tien keer zo zwaar als de zon en heeft een straal van circa 30 kilometer. Maar omdat er niets uitkomt, zelfs geen licht, kunnen we dat niet direct meten.”
Einstein doet voorspellingen over hoe ruimte-tijd zich gedraagt bij een zwart gat. "Ik onderzoek of deze voorspellingen juist zijn."

Er zijn meerdere opleidingen voor astronomie. De basisopleiding is vergelijkbaar, maar daarna kun je specialiseren. Jonker: “Je kunt niet alles weten in dit vakgebied. Daarvoor is het teveel.” Of, zoals een bezoeker het treffend zei: “We kunnen het begin nog niet begrijpen, maar wel de gevolgen ervan bestuderen.”


Het KennisCafé in de nieuwe bibliotheek in Almere is de vierde donderdag van de maand om 20.00 uur. In de zomer is er geen KennisCafé. De eerstvolgende is op 22 september en gaat over Archeologie.