Sterrenkunde

Sterrenkunde, speuren in het grote

De Grote Beer lijkt om de Poolster heen te draaien. De Grote Beer behoort tot de circumpolaire sterrenbeelden. Dat betekent dat het een sterrenbeeld is dat altijd boven de horizon te vinden is. In onze streken komt de Grote Beer nooit op en gaat nooit onder.

Sterrenbeelden

Een sterrenbeeld is een formatie van sterren waarin men vroeger een figuur meende te kunnen zien. Tegenwoordig is een sterrenbeeld een nauwkeurig gedefinieerd gebied aan de hemel, met als functie het benoemen van objecten in dat gebied. Op oude sterrenkaarten werden sterrenbeelden soms met veel fantasie als voorstellingen ingetekend; tegenwoordig volstaat men met verbindingslijnen tussen de meest opvallende sterren, als een hulpmiddel om gedeelten van de hemel te herkennen.

De onderlinge afstand van sterren kan enorm verschillen; zelfs wanneer ze tot hetzelfde sterrenbeeld behoren. We weten ook dat de absolute helderheid eveneens zeer kan verschillen. Zo kunnen sterren die met elkaar op een samenhangend sterrenbeeld lijken, met een dicht bij elkaar liggende (schijnbare) helderheid, tot op onderling verschillende afstanden van de aarde staan. Een mooi voorbeeld hiervan zijn de sterren die het sterrenbeeld Cassiopeia vormen.

Parallax: afstand tot sterren bepalen

Voor het meten van de afstanden tot de sterren moeten verschillende methodes gebruikt worden, die weer allemaal op elkaar aansluiten. Van de sterren die dichtbij staan kan met behulp van de parallax de afstand bepaald worden. Wanneer de posities van sterren in de zomer met de posities van dezelfde sterren in de winter worden vergeleken, blijkt dat sommige sterren iets verschuiven en opzichte van de sterren op de achtergrond. Door deze verschuiving, de parallaxhoek, te meten kan de afstand tot die ster worden berekend. Hoe kleiner de afstand van een ster is, hoe groter de verschuiving. De parallax is de helft van de afstand waargenomen tussen een ster in een bepaalde tijd van het jaar en dezelfde ster een half jaar later.

Hoewel men er al lang naar gezocht had, werd dit pas in 1838 voor het eerst waargenomen door Friedrich Bessel, een Duits astronoom. Het lukte hem om van ster 61 Cygni (een ster in het sterrenbeeld de Zwaan) de parallax te bepalen. Deze bleek uiterst klein te zijn: 1/12.000 deel van een graad (ofwel een twee eurocent muntstuk op een afstand van tien kilometer). De afstand van de ster die hieruit volgt is ongeveer 100 biljoen kilometer. Ook de parallaxmethode heeft zijn grenzen. Zelfs met de modernste apparatuur kunnen sterren tot op een afstand van maximaal 300 lichtjaar worden bepaald.

Levensloop van sterren

De sterren blijven niet altijd onveranderlijk. Iedere ster werd ooit eens gevormd, produceert dan uit kernreacties gedurende lange tijd de energie die uitgestraald wordt en zal tenslotte op minder of meer catastrofale wijze aan haar einde komen. Deze evolutie noemt men de levensloop van een ster. De precieze levensloop van een ster wordt bepaald door haar massa. Wij geen eerst kijken wat er gebeurt met sterren die een massa hebben vergelijkbaar met die van de zon en daarna naar de evolutie van veel zwaardere sterren.

Lichte sterren (onze zon)

In ons Melkwegstelsel, tussen de sterren, bevinden zich zeer ijle gaswolken: interstellair gas. Volgens de zwaartekracht van Newton trekt elk gasdeeltje in zo’n wolk de andere deeltjes in haar omgeving aan. Daardoor trekt een deel van de gaswolk samen tot een gasbol. Doordat de deeltjes van die gasbol steeds dichter bij elkaar komen, gaat haar temperatuur stijgen. Als de temperatuur in het centrum de 10 miljoen graden overschrijdt, ontstaan daar kernreacties (kernfusie). Waterstofdeeltjes worden opgevormd tot heliumdeeltjes. De hierbij geproduceerde energie belet bovendien dat de gasbol verder inkrimpt; een nieuwe ster is geboren. In de zon zal deze omzetting van waterstof zo’n 10 miljard jaar doorgaan. Aangezien onze zon ongeveer 4,5 miljard jaar oud is, zal ze nog 5,5 miljard jaar in deze toestand blijven. Gedurende de hele periode van waterstofomzetting in de kern, is de ster vrij stabiel; haar afmetingen, temperatuur en helderheid variëren nauwelijks.

Op een gegeven moment raakt de waterstofvoorraad in de kern echter uitgeput. De kernreacties zetten zich dan voort in een schil rondom de kern, waar nog voldoende waterstof voorhanden is. Hierdoor gaan de buitenlagen van de ster opzwellen; de ster wordt een rode reus. Ondertussen stijgt de temperatuur in de kern verder tot een waarde van ongeveer 100 miljoen graden. Hierbij ontstaan nieuwe kernreacties waarbij helium wordt omgezet in koolstof. Er volgt dan een zeer onstabiele toestand, waarbij de ster periodiek uitzet en weer inkrimpt. Tot slot worden de buitenlagen van de ster weggeblazen. Deze vormen een zogenaamde planetaire nevel. Deze hele evolutie vergt typisch enkele honderden miljoenen jaren. Wat van de ster overblijft (de kern dus) heeft ondertussen een enorme dichtheid bereikt. Alhoewel deze kern nog steeds een behoorlijk deel van de totale massa van de oorspronkelijke ster bevat, is zij zo sterk samengetrokken dat zij vaak kleiner dan de aarde is geworden. Een dergelijk sterrenrestant noemen we een witte dwerg. Zo’n witte dwerg dooft dan langzaam uit; het duurt nog een goede 10 miljard jaar alvorens het sterrenrestant zo koel geworden is dat we het niet meer kunnen waarnemen.

Zware sterren

De evolutie van een ster met een massa van twee tot drie zonmassa’s of meer verloopt veel sneller. Na slechts een half miljard jaar op de hoofdreeks, zwelt de ster op tot een superreus. De temperatuur in het centrum kan oplopen tot enkele miljarden graden, waarbij koolstof wordt omgezet tot zuurstof, magnesium, silicium en tenslotte ijzer. Daarna wordt de ster zeer instabiel. De kern stort in elkaar, terwijl de buitenlagen met explosieve kracht de ruimte worden ingestoten (= materiaal voor een nieuwe ster). Dit fenomeen nemen we van de aarde waar als supernova: door de grote helderheid van de explosie lijkt het alsof er een nieuwe ster aan de hemel verschijnt. De in elkaar gestorte kern vormt een zogenaamde neutronenster. Neutronensterren zijn nog compacte dan witte dwergen. Het restant van een ster met een massa van meer dan acht zonmassa’s kan trouwens zo compact worden dat zelfs licht er niet meer in slaagt aan de zwaartekracht van het object te ontsnappen. Van zo’n sterrenrestant kunnen wij dus niets zien; daarom spreken we van een zwart gat.

Opdracht

1. Wanneer noemen we een ster(renbeeld) circumpolair?
2. Waarom is/was de Poolster zo’n belangrijke ster?

We zien sterren opeenvolgende avonden steeds vier minuten eerder opkomen (een sterrendag duurt 23 uur en 56 minuten). Dat komt dus neer op een dag per jaar. Na een jaar zijn dus dezelfde sterren op hetzelfde tijdstip weer zichtbaar.

3. Geef een verklaring voor het feit dat een zonnedag 24 uur duurt en een sterrendag 23 uur en 56 minuten.

4. Waarom kan de parallaxmethode niet gebruikt worden voor sterren die ver weg staan om de afstand te schatten?
5. Welke elementen volgen elkaar op bij een lichte ster? En bij een zware ster?
6. Welke stadia kunnen we onderscheiden bij een lichte ster? En bij een zware ster?
7. Wat is de samenhang tussen de massa van een ster, de kerntemperatuur van een ster en de levensduur van een ster?
8. Leg kort uit waarom het voor het leven op aarde gunstig is dat een lichte ster gedurende miljarden jaren vrij stabiel is in haar afmetingen, temperatuur en helderheid.