Les 18

2.4. De overige 72 elementen

Nu komen we voor de vraag te staan waar de overige elementen vandaan komen die we nu tegen kunnen komen in de natuur. Het grootste element dat we kennen in de natuur heeft atoomnummer 98 (= 98 protonen in de kern). Het grootste element dat tot nu toe gevormd werd in ons verhaal is 26 (ijzer). Enfin, tot nu toe werden de elementen tot ijzer gevormd door het ineenstorten van de kernen van sterren. De grotere elementen die we kennen zijn waardevol (goud, zilver en platinum), van levensbelang in organismen (koper en zink) of gewoon bruikbaar zoals uranium, tin en lood. Zeer zware sterren zijn nog in staat om de zwaardere elementen tot aan Bismuth-209 (atoomnummer 89) te vormen in hun kernen via een proces dat we neutron invangen noemen, maar dit proces verklaard niet de hoeveelheden die we nu aantreffen. Er zijn gewoonweg niet genoeg sterren met genoeg massa om hiervoor verantwoordelijk te zijn.

De omstandigheden die ijzer vormen worden alleen in zeer zeldzame situaties in het universum gevonden, die maar twee minuten in een eeuw van onze jaartelling voorkomen.

Na een paar miljoen jaar in een sterrenleven verandert het lot van de grootste sterren in ons universum dramatisch. Nadat de kern opgebrand is van waterstof tot aan ijzer begint het evenwicht in de ster te wankelen. De ster kent nog eenmaal een laatste stuiptrekking, maar wel één met zo’n intensiteit dat het de vorming van de zwaardere elementen mogelijk maakt.

De kern van de ster bezwijkt onder de gravitatiekracht met een snelheid die kan oplopen tot een kwart van de lichtsnelheid. Hierdoor krimpt de kern tot een fractie van haar oorspronkelijke grootte en stijgt de temperatuur tot maar liefst 100 miljard graden Kelvin. Nu treedt er een nieuw fenomeen op, namelijk door de hoge dichtheid in de kern van de atomen die aanwezig zijn, zijn het de bouwstenen van de kerndeeltjes, de kwantum deeltjes, die een verder ineenstorten van de kern tot stilstand brengen.

Letterlijk zijn bijna alle protonen en elektronen samengeperst tot neutronen. Neutronen zijn, net als protonen en elektronen, ondergeschikt aan wat wij het Pauli uitsluitingsprincipe noemen, die voorkomt dat zij te dicht op elkaar kunnen zitten. Het komt er op neer dat geen twee neutronen zich in hetzelfde kwantum stadium kunnen bevinden. Dit maakt de bal van neutronen die zich in de ineenstortende ster bevind het hardste materiaal in ons universum, miljoenen malen harder dan diamant. Wanneer de neutronen dus niet dichter meer opeengeperst kunnen worden zal deze superverwarmde materie met een enorme kracht uit elkaar spatten. Vanuit de kern van de ster zal een enorme schokgolf zich een weg naar buiten de kern banen en die de hoogste temperaturen het universum (100 miljard graden Kelvin) heeft. Hoewel we het proces van deze snelle verhitting niet volledig kunnen bevatten, is deze intens genoeg om alle elementen van goud tot plutonium te laten ontstaan. Dit wordt een Type II supernova genoemd.

Supernovae zijn zo zeldzaam dat we sinds 1604 er geen meer hebben waargenomen (tot vrij kort geleden). Dat was dus een paar jaar voordat Galilei zijn versie van de telescoop had uitgevonden. Op basis van kansberekeningen zou er gemiddeld één supernova plaatsvinden per eeuw. Wat dat betreft heeft de wetenschap in de afgelopen 400 jaar pech gehad. Pas in juni 2015 werd een nieuwe supernova waargenomen, maar dit was er een van een onbekend type ster op een afstand van 3,8 miljard lichtjaar.

Eén van de belangrijkste kandidaten om in een supernova te veranderen is op dit moment Betelgeuse. Deze ster wordt al vele tientallen jaren in de gaten gehouden en op basis van veranderingen in haar helderheid hebben we ontdekt dat deze ster zeer instabiel is. Inmiddels is haar helderheid al met 15% afgenomen in de afgelopen 10 jaar. Het is een vrij jonge ster, naar schatting 10 miljoen jaar our, maar wel een enorm massieve ster. Men verwacht dan ook dat deze ster “elk moment” in een supernova kan gaan veranderen. Op een tijdsbestek van 10 miljoen jaar is “elk moment” natuurlijk een relatief begrip, want het kan morgen al gebeuren, maar ook over 1 miljoen jaar. Omdat Betelgeuse op slechts 500 lichtjaar hier vandaan staat zal de explosie dan ook hier goed zichtbaar zijn wanneer deze zich aandient. Op dit moment produceert op dit moment meer energie in een oogwenk dan onze eigen zon in haar gehele leven. Op het moment dat de ster explodeert in een supernova zal zij al de door haar gevormde elementen door het universum blazen. Er ontstaat dan een nebula, een wolk rijk aan elementen die door de ruimte gaat zweven. Wat over is van de neutronen in de kern van de ster zal verder gaan als een neutronenster.

Een neutronenster is de ineengestorte kern van een massieve ster die overblijft bij een supernova explosie. Ze ontstaat als de kern van een exploderende ster ineenstort onder invloed van de zwaartekracht. Terwijl de kern kleiner wordt, worden de protonen en elektronen samengeperst en vormen neutronen. De ster krimpt helemaal ineen en is uiteindelijk niet meer dan 10 - 30 Km in doorsnede, maar wel ongeveer anderhalf keer zo zwaar als onze eigen zon. De dichtheid van een neutronenster is dan ook onvoorstelbaar groot: een suikerklontje ervan zou meer wegen dan de Mount Everest!

Wanneer een ster nog groter dan Betelgeuse is kan er zelfs een hypernova ontstaan. De ineenstorting van de kern is dan zo groot dat er een zwart gat ontstaat. Zwarte gaten werden al in 1790 voorspeld door John Michell en Pierre-Simon Laplace, omdat men het licht in het heelal zag afbuigen naar een bepaald punt en verdwijnen.

Afb. 2.6. Krabnevel  

Wanneer een ster maar een lage massa heeft wordt zij eerst een witte dwerg (zie eerder in dit hoofdstuk) om dan langzaam uit te doven en een zwarte dwerg te worden. Een zwarte dwerg zendt dus geen licht of warmte meer uit en is dus niet meer dan een uitgebluste ster.