Les 14

‘When I consider how, after sunset, the stars come out gradually in troops from behind the hills and woods, I confess that I could not have contrived a more curious and inspiring sight.’

De tweede grote stap in de historie van het bestaan is de vorming van de sterren. Sterren waren de eerste complexe en stabiele eenheden in het universum.

Om te kunnen begrijpen hoe het mogelijk is om alles wat er nu bestaat is ontstaan uit de Big Bang, moeten we eerst een beetje de diepte in gaan over het bestaan van deeltjes en materie.

Met zijn relativiteitstheorie toonde Albert Einstein aan dat materie en energie uitwisselbaar zijn. Hij toonde aan hoe deeltjes zich vormden na de Big Bang. Hij formuleerde zijn bewijsvoering in de wereldberoemd geworden formule E = MC². Deze formule geeft de omzetting weer hoeveel energie overeenkomt met een bepaalde hoeveelheid materie.

In de eerste periode van uitdijing vormden zich protonen en daarna de veel lichtere elektronen. Vervolgens door versmelting van deze twee de neutronen. Eén seconde na de oerknal was het universum al zo uitgedijd en afgekoeld dat er niet meer genoeg energie was om verder deeltjes te maken. Door een proces dat we nucleosynthese noemen, konden zich enkele eenvoudige elementen vormen. Dit zijn de lichtste elementen die we kennen, waterstof en helium. Ook vormden zich enkele andere elementen, Lithium, Berillium en Boor. Deze elementen gaan uiteindelijk een belangrijke rol spelen voor het oplichten van de sterren die zich veel later zouden vormen.

Tot zo’n 380.000 jaar na de Big Bang bleef het universum eigenlijk zeer eenvoudig. Het merendeel bestond uit wat we “zwarte materie (dark matter)” noemen en die verder geen rol speelt in ons verhaal dat nu volgt. Laten we concentreren op de waterstof, helium en energie die er toen was. Onder invloed van gravitatiekracht begonnen de eerste elementen naar elkaar toe te bewegen en vormden wolken die in temperatuur slechts 0,00001 ^oC verschilden met hun omgeving. Echter ongeveer 200 miljoen jaar na de Big Bang, beginnen sterren en melkwegen op te lichten. Hoe groter de wolk, hoe groter de massa. Hoe groter de massa van de wolk, hoe sterker de gravitatiekracht tussen de onderlinge deeltjes. Door de hoge dichtheid van deze waterstofwolken nam de temperatuur en druk in de wolk enorm toe. En zo ontstonden de zogenaamde “hot-spots” in de ruimte. De waterstofatomen vielen door de hoge temperatuur weer uit elkaar en er ontstond weer een soort plasma van deeltjes (protonen, elektronen en neutronen). De protonen botsten door de gravitatiekracht zo hard op elkaar dat twee protonen met elkaar samengevoegd werden en één van die twee zijn lading afstond die in de vorm van energie vrijkwam. Zo ontstond er deuterium (waterstof met een proton en een neutron in de kern). De deuterium atomen botsten weer op elkaar en vormde zo helium en ook hier kwam weer een hoop energie bij vrij in de vorm van hitte en licht. Dit proces noemen we kernfusie. Enerzijds vallen de deeltjes onder de gravitatiekracht naar elkaar toe, anderzijds wordt er een druk opgebouwd waarbij grote hoeveelheden energie vrijkomen. Wanneer er een evenwicht ontstaat tussen de druk die de wolk uiteen willen drukken enerzijds en de gravitatiekracht die de deeltjes naar elkaar toe trekken en laten fuseren, ontstaat er een ster. Een deel van de vrijkomende warmte en licht verlaat de ster en de ster licht op en verwarmd haar omgeving.

Wanneer zo een aantal sterren gevormd zijn trekken ook deze sterren elkaar aan onder invloed van de gravitatiekracht en vormen zo sterrenstelsels. De sterrenstelsels vormen op hun beurt weer de superclusters onder invloed van de gravitatiekracht. Daarna is de gravitatiekracht te klein geworden om nog verder superclusters samen te binden. Zodoende zijn er aparte melkwegstelsels die uit elkaar drijven.

Opdrachten

Opdracht 37

Bekijk de video “How were stars formed” (9:54 min)

Opdracht 38

Bekijk de video “Birth of stars” (7:58 min).