Het heelal — Enkele ontsluierde geheimen

OP DE 4de juli van het jaar 1054 tuurde Jang Wei Te omhoog naar de vroege ochtendhemel. Als officieel astronoom aan het keizerlijk hof van China sloeg hij nauwgezet de beweging van de sterren gade toen plotseling een helder licht bij het sterrenbeeld Orion zijn aandacht trok.

Er was een „gastster” — de naam die de Chinezen in de oudheid aan zo’n zeldzame gebeurtenis gaven — aan het firmament verschenen. Na plichtsgetrouw verslag uitgebracht te hebben aan zijn keizer, viel het Jang op dat de „gastster” zo helder was geworden dat ze zelfs Venus in helderheid overtrof. Ze was verscheidene weken op klaarlichte dag te zien.

Er zouden negenhonderd jaar verstrijken voordat dit schouwspel naar tevredenheid verklaard kon worden. Men denkt nu dat de Chinese astronoom getuige was van een supernova, de catastrofale doodsstrijd van een reusachtige ster. De oorzaken van een dergelijk buitengewoon verschijnsel zijn slechts enkele van de geheimen die de astronomie probeert te ontsluieren. Hier volgt één verklaring die astronomen met veel zorg hebben opgebouwd.

Hoewel sterren zoals onze zon een onmetelijk lang en stabiel leven kunnen hebben, leiden hun formatie en ondergang tot de meest spectaculaire schouwspelen aan de hemel. Wetenschappers geloven dat het levensverhaal van een ster in een nevel begint.

Nevel. Dit is de naam die gegeven wordt aan een interstellaire wolk van gas en stof. Nevels behoren tot de prachtigste objecten aan de nachtelijke hemel. De nevel die u op de omslag van dit tijdschrift ziet, wordt de Trifidnevel (of nevel met drie kloven) genoemd. In deze nevel zijn nieuwe sterren geboren, waardoor de nevel een roodachtige gloed uitstraalt.

Blijkbaar vormen zich in een nevel sterren wanneer de ijle materie zich door de gravitatiekracht verdicht tot zich samentrekkende gaswolken. Deze enorme gasbollen stabiliseren zich als ze de temperatuur bereiken waarbij in de kern van de wolk nucleaire reacties beginnen, die verdere samentrekking voorkomen. Zo wordt een ster geboren, vaak in samenhang met andere, waarmee ze een sterrenhoop vormt.

Sterrenhopen. Op de foto op bladzijde 8 zien wij een kleine sterrenhoop die de Jewel Box (de juwelendoos) wordt genoemd; men denkt dat die slechts enkele miljoenen jaren geleden is gevormd. Zijn naam dankt hij aan de treffende beschrijving door de negentiende-eeuwse astronoom John Herschel: „een kistje met edelstenen in verschillende kleuren”. Van alleen al ons sterrenstelsel is bekend dat het meer dan duizend van dergelijke sterrenhopen telt.

De energie van de sterren. Een ster in wording stabiliseert zich als er een kernoven in haar binnenste wordt aangestoken. Ze begint waterstof in helium om te zetten via een fusieproces dat wel iets weg heeft van wat er in een waterstofbom gebeurt. De massa van een typische ster, zoals de zon, is dusdanig dat haar kernbrandstof miljarden jaren kan branden zonder dat de voorraad uitgeput raakt.

Maar wat gebeurt er als zo’n ster uiteindelijk haar waterstofbrandstof opgebruikt heeft? De kern trekt zich samen en de temperatuur stijgt terwijl de ster de waterstof in de middelste regionen verbruikt. Ondertussen zetten de buitenste lagen enorm uit, waardoor de radius van de ster vijftig of meer keer zo groot wordt, en ze wordt een rode reus.

Rode reuzen. Een rode reus is een ster met een oppervlaktetemperatuur die betrekkelijk laag is; haar kleur lijkt daardoor rood in plaats van wit of geel. Deze fase in het leven van een ster is betrekkelijk kort en eindigt — wanneer het grootste deel van de heliumvoorraad op raakt — met veel vertoon van vuurwerk aan de hemel. De ster, die nog steeds helium verbrandt, stoot haar buitenste lagen af, die een planetaire nevel vormen, gloeiend door de energie die hij van zijn moederster ontvangt. Uiteindelijk krimpt de ster ingrijpend in en wordt een zwakjes schijnende witte dwerg.

Is de oorspronkelijke ster echter zwaar genoeg, dan is het eindresultaat dat de ster zelf explodeert. Dat is een supernova.

Supernova’s. Een supernova is de explosie waarmee er een einde komt aan het leven van een ster die oorspronkelijk veel zwaarder was dan de zon. Reusachtige hoeveelheden stof en gas worden de ruimte ingestoten met hevige schokgolven die snelheden van meer dan 10.000 kilometer per seconde kunnen bereiken. Het intense licht van de explosie is zo fel dat het dat van een miljard zonnen overtreft en als een fonkelende diamant aan de hemel verschijnt. De energie die bij een enkele supernova-explosie vrijkomt, komt overeen met de totale energie die de zon in negen miljard jaar zou uitstralen.

Negenhonderd jaar nadat Jang zijn supernova had waargenomen, kunnen astronomen nog steeds de grillig gevormde restanten van die explosie zien, een structuur die de Krabnevel wordt genoemd. Maar er bleef meer achter dan de nevel. In het centrum ervan werd nog iets anders ontdekt — een minuscuul object dat 33 maal per seconde ronddraait, een pulsar genoemd.

Pulsars en neutronensterren. Men neemt aan dat een pulsar een uiterst dichte, ronddraaiende kern van materie is die overgebleven is na een supernova-explosie van een ster die niet meer dan driemaal zo zwaar was als de zon. Doordat pulsars een doorsnede van nog geen dertig kilometer hebben, worden ze zelden door optische telescopen ontdekt. Maar ze kunnen geïdentificeerd worden door radiotelescopen, die de radiosignalen opvangen die ontstaan door hun snelle rotatie. Een bundel radiogolven draait met de ster mee, net als de lichtbundel van een vuurtoren, en komt op een waarnemer over als een puls, waaraan de naam pulsar is ontleend. Pulsars worden ook neutronensterren genoemd, omdat ze voornamelijk uit dicht opeengepakte neutronen bestaan. Dit verklaart hun ongelofelijke dichtheid — meer dan honderd miljoen ton per kubieke centimeter.

Maar wat zou er gebeuren als een echt reusachtige ster een supernova werd? Volgens de berekeningen van astronomen zou de kern blijven ineenstorten tot voorbij de neutronenster-fase. In theorie zou de gravitatiekracht die de kern samendrukt zo groot zijn dat er een zogenaamd zwart gat zou ontstaan.

Zwarte gaten. Hiervan wordt gezegd dat het net gigantische kosmische draaikolken zijn waaruit niets kan ontsnappen. De binnenwaartse gravitatie-aantrekkingskracht is zo groot dat zowel het licht als de materie die te dichtbij komen, er onverbiddelijk in gezogen worden.

Geen enkel zwart gat is ooit rechtstreeks waargenomen — dat is per definitie onmogelijk — hoewel fysici het bestaan ervan hopen te bewijzen via het effect dat ze op naburige objecten hebben. Er kunnen nieuwe waarnemingstechnieken nodig zijn om dit specifieke geheim te ontsluieren.

Geheimen van de sterrenstelsels

Een sterrenstelsel is een kosmisch samenstel dat uit miljarden sterren bestaat. In 1920 werd ontdekt dat de zon niet het middelpunt van ons sterrenstelsel is, zoals voorheen was aangenomen. Spoedig daarna onthulden krachtige telescopen het bestaan van talrijke andere sterrenstelsels, en de mens begon iets van de onmetelijkheid van het heelal te begrijpen.

Het nevelige tapijt dat wij de Melkweg noemen, is in feite een zijaanzicht op ons eigen sterrenstelsel. Als wij het van ver zouden kunnen zien, zou het er in grote lijnen uitzien als een reusachtig vuurrad. De vorm is wel vergeleken met twee met de achterkanten op elkaar gelegde gebakken eieren, maar dan op veel grotere schaal natuurlijk. Reizend met de snelheid van het licht zou het ons 100.000 jaar kosten om ons sterrenstelsel te doorkruisen. De zon, die wat meer naar de buitenrand van het sterrenstelsel staat, heeft 200 miljoen jaar nodig om haar baan rond het middelpunt ervan te voltooien.

Sterrenstelsels herbergen, net als de sterren, nog veel geheimen die de wetenschappelijke wereld intrigeren.

Quasars. In de jaren ’60 werden er krachtige radiosignalen opgevangen van objecten die ver, ver buiten onze plaatselijke groep sterrenstelsels liggen. Ze werden quasars genoemd — een verkorting van „quasi-stellaire radiobronnen” — wegens hun overeenkomst met sterren. Maar astronomen stonden versteld van de gigantische hoeveelheid energie die quasars uitstraalden. De meest lichtgevende is ongeveer tienduizendmaal zo helder als de Melkweg, en de verste die bespeurd zijn, staan meer dan tien miljard lichtjaren ver.

Na twee decennia van intensieve studie zijn astronomen tot de conclusie gekomen dat deze verre quasars zeer actieve kernen van afgelegen sterrenstelsels zijn. Maar wat speelt zich af in de kern van deze sterrenstelsels waardoor er zo’n enorme energie wordt opgewekt? Sommige wetenschappers suggereren dat de energie vrijkomt door gravitatieprocessen en niet door kernfusie zoals in sterren. De huidige theorie associeert quasars met reusachtige zwarte gaten. Of dit juist is of niet is op het moment nog onzeker.

Quasars en zwarte gaten zijn slechts twee van de raadsels die nog opgelost moeten worden. Het kan best zijn dat sommige van de geheimen van het heelal voor altijd buiten ons bevattingsvermogen liggen. Niettemin kunnen de wel ontsluierde geheimen ons enkele gewichtige lessen leren, lessen met een draagwijdte die veel verder gaat dan het rijk der astronomie.

[Illustratie op blz. 7]

Spiraalnevel M83

[Verantwoording]

Foto: D. F. Malin, met toestemming van de Anglo-Australian Telescope Board

[Illustraties op blz. 8]

De Jewel Box

Open sterrenhoop, de Plejaden in het sterrenbeeld Stier, M45

[Verantwoording]

Foto: D. F. Malin, met toestemming van de Anglo-Australian Telescope Board

[Illustraties op blz. 8]

Orionnevel, met op de inzet de Paardekopnevel

[Verantwoording]

Foto: D. F. Malin, met toestemming van de Anglo-Australian Telescope Board