A Star is born - de levensloop van sterren, deel 1

Door Edwin Bruinooge gepubliceerd in Weird Science

Hoe ontstaat een ster? Hoe is onze Zon opgebouwd? Hoe komt zonlicht bij ons op Aarde terecht? Hoe leg ik dit uit? Beeldend, de enige manier. Deel één van een serie van drie.

 

Voor niets gaat de Zon op

 

e57838ae705c2f6dd5261cca6d78c653.jpg

Een altijd brandend vuur?

Ik deed het vroeger nog wel eens. Met een aantal mensen rond een kampvuur. Meestal was er ook iemand die een aardig stukje kon wegtokkelen op een gitaar. Het was eind jaren ’70, dus het repertoire bestond vaak uit 'Wish you were here' van Pink Floyd, 'Stairway to Heaven' van Led Zeppelin en een verdwaalde song van Donovan. Of 'Roxanne'  van The Police. Als je naar het vuur keek, voelde je de hitte in je gezicht, op je jukbeenderen en je oogleden. Kwam je dichterbij, voelde je de hitte toenemen. En als de avond vorderde en het vuur langzaam uitdoofde, kroop langzaam de nachtelijke kilte je lichaam binnen. ’s Ochtends lag je suffig in het gras bij te komen, genietend van de ochtendzon. Soms vroeg je je wel eens af hoe het mogelijk was dat een ding dat zo ver weg stond zoveel warmte af kon geven. Je keek naar de nog smeulende resten van het kampvuur; as was alles wat overbleef. En wat zou overblijven als de Zon ophield met branden?  Hoelang zou het nog duren?

22b9e0efaeed92176b7f07dcc0f800da_medium.

Wat weten we van de Zon?

Ik herhaal nog even wat ik in twee vorige artikelen heb geschreven. De links naar deze artikelen staan onderaan. Wil je de verhouding tussen de Zon en onze Aarde duidelijk zien, leg dan een bowlingbal naast een peperkorreltje. Of een grote skippybal naast een doperwt. Als je met de auto naar de Zon kon reizen, 100 km per uur, doe je er 171 jaar over. De Zon ligt 8 lichtminuten en 20 lichtseconden van ons af. Als de Zon NU ophoudt te bestaan, weten wij dat pas over 8 minuten en 20 seconden. Zo lang heeft het licht van de Zon nodig om ons te bereiken.
Vlieg je in een vliegtuig in 24 uur om de Aarde, dan doe je er met hetzelfde vliegtuig meer dan een half jaar over om rond de Zon te vliegen.
Ook weten we dat om de Zon te vullen met Aardes, we 1,3 miljoen Aardes nodig hebben. Maar het volgende is dan misschien vreemd. Stel we nemen een kosmische weegschaal. Links leggen we de Zon, rechts gaan we Aardes stapelen. Dan blijkt dat we er maar 333.000 nodig hebben. De Zon is dus gemaakt van een lichter materiaal, is minder compact, of een combinatie van beide. Als de Zon even groot zou zijn als onze Aarde, was onze Aarde vier maal zo zwaar.

ef2161ab43ed7e3118d3badbff5a0e7b.jpg

Hoe is de zon opgebouwd?

Ik hou het simpel. Er is heel veel te vertellen over de opbouw van de Zon, maar ik beperk me tot de hoofdlijnen. De straal van de Zon, de afstand vanaf het middelpunt tot de oppervlakte, is 695.500 kilometer. Kan je hier wat mee, met dit getal? Waarschijnlijk niet. Denk maar aan een ketting van bijna 55 Aardes naast elkaar. Is dat beeld duidelijker?

3139d10a1996ab6c1ccd29c0c73de61c.jpg

Het binnenste van de Zon heet de Kern

Het binnenste van de Zon is de Kern. Deze strekt zich uit tot ongeveer een kwart van de doorsnede van de Zon. De temperatuur in de kern is gigantisch, een slordige 15 miljoen graden, mischien wel 20 miljoen. Een temperatuur waarbij wij ons geen voorstelling kunnen maken. Dit is de plek waar het “Zonnevuur” brandt. Hier ontstaat de energie die we dagelijks kunnen zien en op onze huid voelen. De energie die het leven op onze planeet in stand houdt. Het proces wat al die energie opwekt, is kernfusie. Hier kom ik in deel 2 op terug. De energie komt vrij in de vorm van gammastraling, “licht”-deeltjes met een bijzonder hoge energie. Eén van de drie vormen van radioactieve straling. Smeer je in, stel je bloot aan normaal zonlicht en je wordt bruin. Doe hetzelfde met gammastraling en je eindigt snel tussen zes planken. En het is een hele rottige manier van doodgaan.

 

De volgende laag in de Zon heet Stralingszone

De volgende zone is de Stralingszone, die zich uitstrekt van een kwart tot driekwart van de doorsnede van de Zon. Ook hier is het nog onvoorstelbaar heet, maar de temperatuur neemt af van 15 miljoen tot 2 miljoen graden in het buitenste gedeelte van de Stralingszone.
Hoe komt de energie uit de Kern door deze zone heen? Puur door straling - daarom heet die zone ook zo -, maar dat gaat niet zomaar. Even een beetje theorie, daarna een poging dit uit te leggen in beeldende taal.

a11d615c3c1a327fdda1ba075b791a58_medium.

Elektromagnetische straling  - een theoretisch intermezzo

Gammastraling is een vorm van elektromagnetische straling. Kunt u wat met deze uitspraak? Nee? U kent vast andere vormen van elektromagnetische straling. Wat dacht u van “zichtbaar licht”? Of infrarode straling, bijvoorbeeld uit een warmtelamp of de straling waarmee u uw auto van het slot haalt en uw tv bedient? Klinkt al wat bekender. Verder kunt u denken aan Röntgenstraling, microgolven, zoals uw magnetron ze produceert, ultraviolette straling en radiogolven.
En wat voor visuele voorstelling kan je hierbij maken? Dat is nog niet zo makkelijk. Je kan het zien als een golfverschijnsel, maar voor de rest van mijn verhaal is dat geen handig beeld. Zie het maar als kleine deeltjes, kleine bolletjes pure energie. Die bolletjes hebben ook een naam: fotonen. Lichtdeeltjes. En dan maakt het niet uit of we het over zichtbaar licht hebben, over radiostraling of gammastraling. Dezelfde bolletjes, andere energieinhoud. En wat doen fotonen? Er met een rotgang vandoor gaan. Met de snelheid van het licht, 300.000 kilometer per seconde.

9cea6dd23abb262cbec85e05aa3c8c87.jpg

We keren weer terug naar de Stralingszone

Dus, wat is de verwachting, als er op dit moment een gammafoton ontstaat in de Kern van de Zon? Het dingetje gaat er met een noodgang vandoor en als het de juiste richting op reist, komt het over 8 minuten en 20 seconden aan op Aarde. Ja toch? In werkelijkheid gebeurt er nog zoveel meer...
Het is namelijk druk in het binnenste van de Zon. Erg druk. Een compacte en wervelende massa van atomen, voor het grootste deel waterstof en helium. En die zitten aardig in de weg als je als gammafoton haast hebt. Dat wordt dus botsen. Als een gammafoton botst met zo’n atoom, kan het geabsorbeerd worden. Het geeft het atoom dan letterlijk meer energie. Het atoom reageert daarop door een deel van zijn nieuwe energie af te staan, ook weer in de vorm van een foton, meestal zelfs meer dan een. De afgestane energie is netjes over de nieuwe fotonen verdeeld. Ook deze fotonen schieten alle kanten op. Ze komen op hun beurt weer andere atomen tegen, het proces herhaalt zich, nog eens, nog eens, enzovoort. Steeds meer fotonen, maar wel telkens met een lagere energie. Uiteindelijk bereiken alle fotonen de oppervlakte van de Zon, om vervolgens ongestoord met lichtsnelheid de ruimte in te schieten. Sommigen komen terecht bij ons op Aarde. Het is dan meestal geen gammastraling meer, maar straling van een veel lagere energie: het grootste deel bestaat uit zichtbaar licht. Het blijkt dat één gammafoton zo uiteindelijk het ontstaan van miljoenen lichtdeeltjes veroorzaakt..

02587a692c4ed782ebfb44975ce48036.jpg

Een Amsterdams experiment, om het duidelijk te maken

Een ingewikkeld beeld? Zal ik een poging wagen om het ietsje meer “aards” af te schilderen. Prima, doen we. We gaan even naar Amsterdam...
Je loopt door Amsterdam, je bent bij het Museumplein. Aan de overkant staat een bekende. Je loopt rustig over het plein en binnen een paar minuten schudden jullie elkaars hand. Maar doe nu hetzelfde als het hele plein volgepakt staat met een mensenmenigte; Nederland heeft het WK gewonnen! Hoelang duurt het voordat je door de duwende en hossende menigte gewurmd bent? Een uur? Twee uur?
Stel dat het echt gaat gebeuren op het volgende WK. Nederland verplettert Brazilië in de finale, liefst in de laatste minuut. Eindelijk wereldkampioen! Mogen wij ook een keer?! We organiseren een volksfeestje. Rondvaart door de grachten, u kent dat wel. En als afsluiter, een manifestatie op het Museumplein. De bondscoach zit in ons complot; hij gaat met de mensenmenigte een natuurkundig experiment doen. Hij pakt een voetbal, noemt het ‘gammafoton’ en schiet het de menigte in. Wie de bal opvangt, mag hem houden, maar moet wel twee tennisballen in willekeurige richting gooien. Alsof de tennisballen fotonen met lager energieniveau zijn. En degene die een van die ballen vangt, doet precies hetzelfde. Binnen een paar minuten vliegen talloze tennisballen je om de oren. Aan de overkant van het plein staan mensen om alle ballen te verzamelen. Hoe lang zal het duren voordat alle ballen de overkant hebben gehaald? Wat denk je? Het zal me niet verbazen als dit meer dan een dag duurt. En hoeveel zullen het er zijn?

d6d6dcbf5ec20a17440797397a0da238_medium.

Fotonen banen zich een weg door de Stralingszone

En nu in de ‘echte’ wereld, in het binnenste van de Zon? Heb je enig idee? We weten het ongeveer. Als er op dit exacte moment een gammafoton vanuit de kern de stralingszone inschiet, duurt het gemiddeld 30.000 jaar voordat de miljoenen lichtdeeltjes die daarvan het gevolg zijn, het zonneoppervlak bereiken. Het overgrote deel van de tijd bevinden ze zich op weg door de stralingszone.

Sta er eens even bij stil. Als de kern van de Zon nu ophoudt met werken en als er verder niets verandert, dan hebben we dus nog voor 30.000 jaar zonne-energie tegoed. Gewoon, omdat die zonne-energie toch al op weg naar buiten was. Daarna neemt het af, totdat het helemaal stopt. Ga morgen lekker in de zon zitten. Je wist het al. De warmte die je op je gezicht voelt was 8 minuten en 20 seconden onderweg. De tijd die zonlicht nodig heeft om vanaf het oppervlakte van de Zon ons te bereiken. En gemiddeld genomen is het 30.000 jaar geleden opgewekt. Nog voordat de piramides gebouwd werden, toen er nog Neanderthalers in Europa leefden.

d1751a63f0f8114d275c602695bc6318_medium.

Het oppervlak van de Zon, met granulatiekorrels

 

De Convectiezone zit tussen Stralingszone en het oppervlak

Ook de Stralingszone houdt ergens op. Op ongeveer driekwart van de doorsnede van de Zon gaat het over in de Convectiezone. Niet geleidelijk, maar redelijk abrupt. De overgangszone heet tachokline, wat je kan zien als een aantal horizontale lagen zonnemateriaal die langs en over elkaar heen schuiven. Het grootste deel van het magnetische veld van de Zon wordt hier opgewekt.
De Convectiezone loopt tot aan het oppervlak. De temperatuur neemt af van 2 miljoen graden tot ongeveer 6000 graden. Nog steeds geven allerlei atomen de energie door via straling, fotonen blijven van atoom naar atoom 'hoppen', maar er gebeurt ook iets anders. Energietransport gaat nu vooral door stroming van zonnemateriaal. Deze stroming heet convectie. Wij maken er op Aarde ook gebruik van, als we koken. Ook radiatoren van verwarmingen werken met convectie. En in onze atmosfeer gebeurt het ook. Bij convectie wordt materiaal verhit. Het stijgt, koelt vervolgens af, waardoor het weer afdaalt, om opnieuw te worden verhit. Een gesloten systeem, een kringloop. Zet een pan water op een heet vuur. Je kan die stromingen vaak met het blote oog zien. Rimpelingen in het water, van de bodem tot het oppervlakte.

Convectie gaat een stuk sneller dan energietransport door alleen straling. Daar waar een gammafoton met al zijn tussenstappen een reis van 30.000 jaar door de Stralingszone nodig had, duurt de reis door de Convectiezone slechts een week. De convectiestromen zijn zichtbaar.als zogenaamde granulatiekorrels, zeshoekige vormen van ongeveer 1000 kilometer doorsnede. Het oppervlakte van de Zon is er letterlijk mee bezaaid. In het midden van zo’n korrel is het zonnemateriaal het heetst, langs de randen is het afgekoeld, waardoor het donkerder lijkt. Hier daalt het materiaal weer af, om opnieuw te worden verhit.

78ef58f8a3b10e3db608edbac87199c2_medium.

En de rest van de Zonnelagen?

Het zichtbare deel van het zonneoppervlak noemen we de Fotosfeer. Boven de fotosfeer bevindt zich de Zonneatmosfeer, ook onderverdeeld in verschillende lagen. Ik noem alleen even nog de Corona, omdat we die bij een zonsverduistering zo mooi en duidelijk kunnen zien. En omdat er een mysterie aan hangt. Aan het oppervlakte heeft de zon een temperatuur van 6000 graden. Maar in de Corona kan de temperatuur weer oplopen tot 2 miljoen graden. Hier is nog geen goede verklaring voor gevonden. We zien haar elke dag, onze Zon. Maar we kennen haar nog niet genoeg.

25ed2f425c37e6e57d5266f3d1e97eba_medium.

Stofwolken, kraamkamers voor sterren als de Zon


How DOES a Star get born?

Stof zijt Gij en tot Stof zult Gij wederkeren. En stof, dat is inderdaad waar een ster mee begint. Het Heelal is vergeven van stofwolken. Stofwolken in de buurt van sterren krijgen te maken met het verschijnsel ‘lichtdruk’. Licht bestaat immers uit fotonen, lichtdeeltjes. Die kunnen tegen het stof botsen en zo een bepaalde druk veroorzaken, zoals luchtdeeltjes luchtdruk veroorzaken. Als het waait, kan je de druk van luchtdeeltjes voelen. Lichtdruk is niet sterk, het is letterlijk en figuurlijk een lichte druk. Op Aarde merken we niets van lichtdruk. Ik sta in het zonlicht, maar de deeltjes duwen me echt niet omver. Ik sta in de buurt van een orkaan en de luchtdruk vertelt me iets heel anders. En of ik het dan nog kan navertellen…?

Die lichtdruk duwt de stofwolk een beetje samen. Langzamerhand wordt de wolk compacter en nu gaat ook de zwaartekracht tussen de deeltjes onderling een rol spelen; ze gaan elkaar letterlijk aantrekken. Dat gaat niet over de hele wolk gelijk; er ontstaan verdikkingen in de gaswolk, die al maar sneller compact worden. We kunnen ze op verschillende plekken in de Melkweg zien. Deze verdikte gasbollen, globulen, zijn de voorlopers van sterren. Ze draaien rond; ze gaan steeds sneller draaien, zoals een kunstschaatser sneller draait als ze haar armen naar zich toetrekt. En de gasbollen blijven inkrimpen. Soms gaat dit zo snel, dat er materiaal achterblijft, waar op hun beurt kleine verdikkingen in ontstaan. Dat is ook bij ons gebeurd; een van die verdikkingen, daar lopen wij nu op.

bcd5378201e413869f5c2c4be3d87f4e_medium.

Artistieke impressie van een proto-ster


De globule blijft inkrimpen; de deeltjes waaruit het bestaat botsen steeds vaker en sneller tegen elkaar op. Ze krijgen steeds meer bewegingsenergie. En dat betekent, een hogere temperatuur. De gasbol wordt heter en blijft maar krimpen. Binnen in de gasbol is het het heetst; het begint warmtestraling af te geven. Infrarode straling, die wij zelf ook uitzenden. En wat we zichtbaar kunnen maken met een nachtkijker. Een gasbol die infrarode straling uitzendt, noemen we een proto-ster. Nog niet een echte ster, maar wel bijna geboren. Die proto-ster blijft inkrimpen, blijft heter worden en op een bepaald moment gaat het zichtbaar licht stralen. A Star is born! Maar nog steeds houdt het niet op. De ster blijft inkrimpen door de zwaartekracht…en ineens stopt het. Bij de Zon vond dit plaats rond haar 50 miljoenste levensjaar. Ze was toen honderd keer kleiner en compacter dan bij haar geboorte. Wat is er dan precies gebeurd? Wat is er zo sterk dat het de zwaartekracht tegen kan werken? Dat kan alleen maar een kracht zijn die van binnenuit de Zon zelf komt. Dat is ook zo; het is de kracht van kernfusie. De Zon is nu stabiel en blijft dat de komende miljarden jaren ook. En hoe kernfusie precies werkt? Dat vertel ik in deel 2 van dit artikel.

65acd80ea80a5d06ca2a8e2c97317a01_medium.


Laat het even op je instralen

Was dit te volgen? Duizelingwekkende hoeveelheden energie. Elke seconde en al meer dan vier en een half miljard jaar. Hoe moet je zo’n tijd voorstellen?
Als we de leeftijd van de Aarde samenvatten in één jaar, wordt het duidelijker. De Aarde ontstaat op 1 januari. De tijd van de Dinosauriërs begint dan op 12 december, om 02.00 uur ’s nachts. Ze sterven allemaal uit op tweede Kerstdag, om 7 uur ’s ochtends. En wij? Wij komen pas in beeld op Oudjaarsavond, om 23.37 uur. De geboorte van Christus? Bijna 11 seconden voor middernacht. We zijn al bijna aan het aftellen, de champagneglazen worden gevuld. Een mensenleven? Duurt nog niet eens een halve seconde.
En wat beloven de volgende jaren te brengen? De komende miljarden jaren? Blijft de Zon net zoals nu? Nee, dat doet ze niet. De Zon verandert. Ze wordt ouder, verandert van kleur, van grootte. Oude energiebronnen raken op, maar ze krijgt nieuwe. Ze gaat groeien. En ze zal ooit ten onder gaan. En wat dan? Maken wij dat nog mee? Dat wil ik een volgende keer duidelijk maken, in deel 3 van dit artikel.

76a8a15dbf1d12471b94f58d6c54ec3b_medium.


 

12/03/2016 14:57

Reacties (8) 

13/03/2016 10:43
Dat de corona weer heet is is in het klein toch ook zo.
Je kunt met je handen door een vlam , maar houd je hem er vlak boven verbrandt je jezelf.

Met een poederblusser kan je vuur blussen, maar strooi je melkpoeder uit over een vlam dan zal het verbranden met een steekvlam.

Door vermenging met zuurstof? of is de ruimte tussen de melkbestanddelen genoeg om een hogere verbranding te krijgen?
In de corona is geen zuurstof maar wel die ruimte.
Josh 13 3 2016
1
12/03/2016 18:11
Mooi artikel. Misschien de volgende aflevering wat meer fysisch onderbouwen. Dat maakt zo'n drieluik nog boeiender en spannender.
12/03/2016 18:12
Wat dacht je! In het volgende deel ga ik het over kernfusie hebben. Dan moet ik wel...
1
12/03/2016 17:03
Altijd weer een genot om te lezen. Al voel je je als mens dan toch wel heel klein en nietig, Terecht overigens.
(Ik heb vandaag een misantropische dag - waarschijnlijk omdat de natuur al zo mooi is).
1
13/03/2016 10:09
En vandaag wordt het denk ik nog mooier...

Die misantropische bui heb ik van je overgenomen. Na een aantal berichten van de anti-GMO-feestboekmama's, de anti-vaccinatiemama's en een dosis religieus gepreek en wat discussies op Amerikaanse fora, heb ik mijn portie van het 'first world privilege', de zelfgekozen stupiditeit, wel weer gehad.

Ik ga met mijn kind een ijsje halen.
1
12/03/2016 15:13
Ik vond dit toen al een meesterlijk artikel en nu nog steeds.
Het wordt wel tijd voor verkeersregelaars in de zon ... al die botsingen, blikschade ... maar toch. -))

30.000 jaar ... oh dus als ik nu zou gaan zonnebaden (bij 5 graden) dan ben ik in het jaar 32016 bruin? -))
1
12/03/2016 15:36
Kan nu ook. Je wordt alleen bruin van fossiel zonlicht, maar vind je dat erg dan?
12/03/2016 15:43
Daarom doe ik niet meer aan zonnebaden, is oud en daar hou ik niet van. -))
Copyright © Tallsay.com. Alle rechten voorbehouden.
Door gebruik te maken van deze website geef je aan dat je onze Algemene voorwaarden en ons Privacy statement accepteert