‘The nitrogen in our DNA,

the calcium in our teeth,

the iron in our blood,

the carbon in our apple pies,

were made in the interiors of collapsing stars.

We are made of star stuff.

- Carl Sagan (1934 - 1996)

 

2.3. Het einde van sterren, een nieuw begin voor elementen

Sterren maken de weg vrij voor nog grotere complexiteit. De eerste sterren produceerden uiteindelijk veel van de chemische elementen die wij vandaag de dag aantreffen.

Het universum was een relatief simpele ruimte die voornamelijk uit waterstof en helium bestond en waar je niet zo veel mee kan maken. Dit veranderde toen de eerste sterren ‘stierven’ (uitdoofden). Zij creëerden hierbij de extreem hoge temperaturen die nodig waren om kernen te laten versmelten en zo nieuwe chemische elementen te vormen. Deze elementen baanden de weg voor oneindig veel nieuwe mogelijkheden.

 

Brian Cox verteld in zijn boek Wonders of the Universe hoe een ster uiteindelijk veranderd in een rode reus en dan vervolgens in een nevelwolk (Nebula). Samenvattend komt het er op neer dat sterren zich in een wankel evenwicht bevinden. Aan de ene kant is er de gravitatiekracht die de ster wil samenpersen, waardoor ze zo warm wordt dat de elektromagnetische afstoting tussen waterstofkernen overwonnen wordt en ze fuseren totdat helium ontstaat. Aan de andere kant komt hierbij energie vrij die de druk levert die de ster juist behoedt voor ineenstorten. Wanneer de waterstof op gaat raken, vermindert dus ook de naar buiten gerichte druk en de gravitatiekracht neemt nu de overhand en verandert de ster drastisch van structuur. Nu gaat de kern van de ster snel ineenstorten waarna er een schil van waterstof en helium overblijft. Door de krimpende kern neemt de temperatuur weer toe tot wel 100 miljoen graden Celsius, waardoor een nieuw fusieproces wordt getriggerd. Op deze temperatuur wordt de elektromagnetische afstoting tussen heliumkernen overwonnen en nu gaan deze fuseren. De ster verbrand nu helium.

Door deze verandering treden er twee effecten op. Allereerst komt er bij deze fusie genoeg energie vrij die voorkomt dat de ster verder ineenstort, de ster stabiliseert en zwelt weer op. Dit is het begin van het leven van wat we een Rode reus noemen. Ten tweede leidt de fusie tot het ontstaan van het element dat aan de basis ligt van het leven. Uit twee fuserende heliumkernen ontstaat Beryllium (Be⁸), bestaande uit 4 protonen en 4 neutronen. Echter deze beryllium-isotoop is instabiel en zal snel uit elkaar vallen, maar door de extreem hoge temperatuur van de strevende ster blijven ze lang genoeg bestaan om nog te fuseren met een derde heliumkern en zo koolstof te vormen (C¹²). Dit is de bron waar alle koolstof in het universum vandaan komt: elk koolstofatoom in elk levend wezen op deze planeet is ooit geproduceerd in de kern van een stervende ster.

 

Overigens eindigt de heliumverbranding in een ster met de vorming van koolstof, want de omstandigheden in de kern laat ook toe dat nog een heliumkern fuseert met een koolstofatoom en zo zuurstof (O¹⁶) vormt. Hier op aarde bevindt zich zelfs 21% zuurstof in de atmosfeer, maakt deel uit van water, en is op waterstof en helium na het meest voorkomende element in het universum.

Vergeleken met de levensduur van een ster, is deze productie van koolstof en zuurstof door een ster in een oogwenk voorbij. In ongeveer een miljoen jaar raakt de heliumvoorraad op en voor veel sterren stopt dan het fusieproces. Dan raakt de ster instabiel en er ontstaan veel gebieden met een hoge druk totdat de gehele ster ontploft. Daarbij wordt de voorraad zuurstof, koolstof, waterstof en alle andere elementen die gevormd zijn weggeblazen en gaan op reis door het heelal. Dan ontstaat er voor korte tijd (‘slechts’ enkele tienduizenden jaren) een fraaie nevel of nebula.

 

Afb. 2.5. Helix nebula (GC 7293)

 

Nadat de nebula verdwenen is, blijft er van een ster zo groot als onze eigen zon, een voorwerp over dat niet groter is dan onze Aarde. In zo’n situatie ontstaat er een witte dwerg.

 

Hele grote sterren vervallen tot de helft van de massa van onze zon, en daar blijft de chemische productielijn bestaan. Wanneer daar de helium fusie tegen het eind gaat lopen krijgt wederom de gravitatiekracht de overhand en het ineenstorten van de kern gaat verder. De temperatuur stijgt weer en een derde stadium in het ontstaan van elementen vangt aan. Bij een temperatuur van honderden miljoenen graden Kelvin, koolstof en helium fuseren tot neon, neon fuseert met helium tot magnesium, twee koolstofatomen fuseren tot natrium. Hoe meer elementen er aanwezig zijn en hoe hoger de temperatuur stijgt, hoe zwaarder de elementen zijn die zich vormen. De kern van de ster blijft ineenstorten, de temperatuur blijft stijgen en lagen van gevormde elementen blijven achter.

 

Uiteindelijk gaat dit proces door tot zich ijzer vormt uit de fusie van silicium. Op dat moment is de kern van de ster al 2,5 miljard graden Kelvin geworden en deze kan nergens meer heen. De piek van nucleaire stabiliteit is bereikt en er komt niet genoeg energie meer vrij om elementen zwaarder dan ijzer te vormen. Uiteindelijk blijft er een ijzeren kern over en stort de ster volledig in en vormt een nebula.