Inhoud
- De vorming van een Protostar
- De thermonucleaire vonk van het leven
- Kleine sterlevenscyclus: hoofdvolgorde
- Post-Main Sequence - The Golden Years
- Zongrote sterren breiden zich uit om planetaire nevels te worden
- Wat overblijft is een witte dwerg
- Massa beïnvloedt de levenscyclus
Sterren worden echt geboren uit sterrenstof, en omdat sterren de fabrieken zijn die alle zware elementen produceren, komt onze wereld en alles daarin ook uit sterrenstof.
Wolken ervan, meestal bestaande uit waterstofgasmoleculen, zweven rond in de onvoorstelbare koude van de ruimte totdat de zwaartekracht hen dwingt om op zichzelf in te storten en sterren te vormen.
Alle sterren zijn gelijk geschapen, maar net als mensen komen ze in vele variaties. De belangrijkste bepalende factor voor sterrenkarakteristieken is de hoeveelheid sterrenstof die betrokken is bij de vorming ervan.
Sommige sterren zijn erg groot, en ze hebben een kort, spectaculair leven, terwijl anderen zo klein zijn dat ze nauwelijks genoeg massa hadden om in de eerste plaats een ster te worden, en deze hebben een extreem lange levensduur. De levenscyclus van een ster, zoals NASA en andere ruimteautoriteiten uitleggen, is sterk afhankelijk van massa.
Sterren die ongeveer zo groot zijn als onze zon worden beschouwd als kleine sterren, maar ze zijn niet zo klein als rode dwergen, die een massa hebben die ongeveer de helft is van die van de zon en bijna eeuwig zijn als een ster kan krijgen.
De levenscyclus van een ster met lage massa zoals de zon, die wordt geclassificeerd als een G-type, hoofdreeksster (of een gele dwerg), duurt ongeveer 10 miljard jaar. Hoewel sterren van deze omvang geen supernova worden, eindigen ze hun leven op dramatische wijze.
De vorming van een Protostar
Zwaartekracht, die mysterieuze kracht die onze voeten op de grond houdt en de planeten in hun banen laat ronddraaien, is verantwoordelijk voor stervorming. Binnen de wolken van interstellair gas en stof die rond het universum drijven, brengt zwaartekracht moleculen samen in kleine klonten, die loskomen van hun ouderwolken om protosterren te worden. Soms wordt de ineenstorting veroorzaakt door een kosmische gebeurtenis, zoals een supernova.
Dankzij hun toegenomen massa kunnen protosterren meer sterrenstof aantrekken. Behoud van momentum zorgt ervoor dat de instortende materie een roterende schijf vormt en de temperatuur stijgt vanwege de toenemende druk en de kinetische energie die vrijkomt door gasmoleculen die naar het centrum worden aangetrokken.
Er wordt aangenomen dat verschillende protosterren in de Orionnevel bestaan, onder andere. Zeer jonge zijn te diffuus om zichtbaar te zijn, maar worden uiteindelijk ondoorzichtig wanneer ze samenvloeien. Als dit gebeurt, houdt de accumulatie van materie infraroodstraling in de kern vast, wat de temperatuur en druk verder verhoogt, waardoor uiteindelijk wordt voorkomen dat meer materie in de kern valt.
De envelop van de ster blijft echter materie aantrekken en groeien totdat er iets ongelooflijks gebeurt.
De thermonucleaire vonk van het leven
Het is moeilijk te geloven dat de zwaartekracht, die een relatief zwakke kracht is, een reeks gebeurtenissen zou kunnen veroorzaken die tot een thermonucleaire reactie leidt, maar dat is wat er gebeurt. Terwijl de protostar materie blijft aangroeien, wordt de druk in de kern zo intens dat waterstof begint te versmelten tot helium en de protostar een ster wordt.
De komst van thermonucleaire activiteit creëert een intense wind die vanuit de ster pulseert langs de rotatieas. Materiaal dat rond de omtrek van de ster circuleert, wordt door deze wind uitgeworpen. Dit is de T-Tauri-fase van de sterrenformatie, die wordt gekenmerkt door krachtige oppervlakteactiviteit, waaronder opflakkeringen en uitbarstingen. De ster kan tot 50 procent van zijn massa verliezen tijdens deze fase, die voor een ster met de grootte van de zon een paar miljoen jaar duurt.
Uiteindelijk begint het materiaal rond de omtrek van de sterren te verdwijnen, en wat zich laat samenvloeien in planeten. De zonnewind neemt af en de ster vestigt zich in een periode van stabiliteit op de hoofdreeks. Gedurende deze periode balanceert de naar buiten gerichte kracht die wordt gegenereerd door de fusiereactie van waterstof op helium die optreedt in de kern, de naar binnen gerichte zwaartekracht en verliest de ster noch materie.
Kleine sterlevenscyclus: hoofdvolgorde
De meeste sterren aan de nachthemel zijn hoofdreekssterren, omdat deze periode veruit de langste in de levensduur van een ster is. Terwijl in de hoofdvolgorde, een ster waterstof versmelt tot helium en dit blijft doen totdat de waterstofbrandstof op is.
De fusiereactie gebeurt sneller bij massieve sterren dan bij kleinere, dus massieve sterren branden heter, met een wit of blauw licht, en ze branden korter. Terwijl een ster met de grootte van de zon 10 miljard jaar meegaat, kan een supergrote blauwe reus slechts 20 miljoen duren.
Over het algemeen komen twee soorten thermonucleaire reacties voor in hoofdvolgorde-sterren, maar in kleinere sterren, zoals de zon, treedt er slechts één type op: de proton-protonketen.
Protonen zijn waterstofkernen, en in een sterrenkern reizen ze snel genoeg om elektrostatische afstoting te overwinnen en botsen om helium-2-kernen te vormen, waarbij een v-neutrino en een positron in het proces. Wanneer een ander proton botst met een nieuw gevormd helium-2 kern, fuseren ze tot helium-3 en geven een gamma-foton af. Ten slotte botsen twee helium-3-kernen met elkaar om één helium-4-kern en nog twee protonen te maken, die de kettingreactie voortzetten, dus al met al verbruikt de proton-protonreactie vier protonen.
Een subketen die optreedt in de hoofdreactie produceert beryllium-7 en lithium-7, maar dit zijn overgangselementen die, na botsing met een positron, twee helium-4-kernen vormen. Een andere subketen produceert beryllium-8, die instabiel is en spontaan in twee helium-4-kernen splitst. Deze subprocessen zijn goed voor ongeveer 15 procent van de totale energieproductie.
Post-Main Sequence - The Golden Years
De gouden jaren in de levenscyclus van een mens zijn die waarin energie begint af te nemen, en hetzelfde geldt voor een ster. De gouden jaren voor een ster met lage massa treden op wanneer de ster alle waterstofbrandstof in zijn kern heeft verbruikt, en deze periode wordt ook wel post-hoofdreeks genoemd. De fusiereactie in de kern stopt en de buitenste heliumschaal zakt in, waardoor thermische energie wordt gecreëerd als potentiële energie in de instortende schaal wordt omgezet in kinetische energie.
De extra hitte zorgt ervoor dat waterstof in de schaal weer begint te fuseren, maar deze keer produceert de reactie meer warmte dan het deed toen het alleen in de kern optrad.
Fusie van de waterstofmantellaag duwt de randen van de ster naar buiten en de buitenatmosfeer expandeert en koelt, waardoor de ster een rode reus wordt. Wanneer dit over ongeveer 5 miljard jaar met de zon gebeurt, zal deze de helft van de afstand tot de aarde uitbreiden.
De expansie gaat gepaard met verhoogde temperaturen in de kern naarmate meer helium wordt gedumpt door de waterstoffusiereacties die in de schaal optreden. Het wordt zo heet dat heliumfusie in de kern begint en beryllium, koolstof en zuurstof produceert, en zodra deze reactie (de heliumflits genoemd) begint, verspreidt deze zich snel.
Nadat het helium in de schaal is uitgeput, kan de kern van een kleine ster niet genoeg warmte genereren om de zwaardere elementen die zijn gemaakt te smelten, en de schaal rond de kern zakt weer in. Deze ineenstorting genereert een aanzienlijke hoeveelheid warmte - genoeg om met heliumfusie in de schaal te beginnen - en de nieuwe reactie begint een nieuwe periode van expansie waarin de straal van de sterren met maar liefst 100 keer zijn oorspronkelijke straal toeneemt.
Wanneer onze zon dit stadium bereikt, zal deze zich voorbij de baan van Mars uitbreiden.
Zongrote sterren breiden zich uit om planetaire nevels te worden
Elk verhaal over de levenscyclus van een ster voor kinderen moet een verklaring bevatten van planetaire nevels, omdat ze enkele van de meest opvallende fenomenen in het universum zijn. De term planetaire nevel is een verkeerde benaming, omdat het niets te maken heeft met planeten.
Het is het fenomeen dat verantwoordelijk is voor de dramatische beelden van het Oog van God (de Helixnevel) en andere dergelijke beelden die het internet bevolken. Verre van planetair van aard te zijn, is een planetaire nevel de handtekening van een sterfelijke ondergang.
Terwijl de ster zich uitbreidt naar zijn tweede rode gigantische fase, stort de kern tegelijkertijd in tot een superhete witte dwerg, een dicht overblijfsel waarvan het grootste deel van de massa van de originele ster in een bol ter grootte van de aarde is verpakt. De witte dwerg straalt ultraviolette straling uit die het gas in de expanderende schaal ioniseert, waardoor dramatische kleuren en vormen worden geproduceerd.
Wat overblijft is een witte dwerg
Planetaire nevels gaan niet lang mee en verdwijnen over ongeveer 20.000 jaar. De witte dwergster die overblijft nadat een planetaire nevel is verdwenen, is echter zeer duurzaam. Het is in feite een brok koolstof en zuurstof vermengd met elektronen die zo stevig zijn verpakt dat er sprake is van degeneratie. Volgens de wetten van de kwantummechanica kunnen ze niet verder worden samengedrukt. De ster is een miljoen keer dichter dan water.
Er treden geen fusiereacties op in een witte dwerg, maar deze blijft heet dankzij het kleine oppervlak, dat de hoeveelheid energie die het uitstraalt beperkt. Het zal uiteindelijk afkoelen en een zwarte, inerte brok koolstof en ontaarde elektronen worden, maar dit duurt 10 tot 100 miljard jaar. Het universum is nog niet oud genoeg om dit te hebben voorgedaan.
Massa beïnvloedt de levenscyclus
Een ster met de grootte van de zon wordt een witte dwerg wanneer hij zijn waterstofbrandstof verbruikt, maar een ster met een massa in de kern van 1,4 keer de grootte van de zon ervaart een ander lot.
Sterren met deze massa, die bekend staat als de Chandrasekhar-grens, blijven instorten, omdat de zwaartekracht voldoende is om de uiterlijke weerstand van elektronendegeneratie te overwinnen. In plaats van witte dwergen te worden, worden ze neutronensterren.
Omdat de Chandrasekhar-massalimiet van toepassing is op de kern nadat de ster veel van zijn massa heeft weggestraald, en omdat de verloren massa aanzienlijk is, moet de ster ongeveer acht keer de massa van de zon hebben voordat hij de rode reuzenfase binnengaat om een neutronenster.
Rode dwergsterren zijn die met een massa van tussen de helft tot driekwart van een zonnemassa. Ze zijn de coolste van alle sterren en verzamelen niet zoveel helium in hun kernen. Bijgevolg breiden ze zich niet uit om rode reuzen te worden wanneer ze hun nucleaire brandstof hebben uitgeput. In plaats daarvan trekken ze zich direct in witte dwergen samen zonder de productie van een planetaire nevel. Omdat deze sterren echter zo langzaam branden, zal het lang duren - misschien wel 100 miljard jaar - voordat een van hen dit proces ondergaat.
Sterren met een massa van minder dan 0,5 zonnepanelen staan bekend als bruine dwergen. Ze zijn helemaal geen sterren, want toen ze gevormd werden, hadden ze niet genoeg massa om waterstoffusie te initiëren. De drukkrachten van de zwaartekracht genereren genoeg energie om dergelijke sterren uit te stralen, maar het heeft een nauwelijks waarneembaar licht op het verre rode uiteinde van het spectrum.
Omdat er geen brandstofverbruik is, is er niets om te voorkomen dat zo'n ster precies zo blijft als hij is zolang het universum duurt. Er kunnen er een of veel in de directe omgeving van het zonnestelsel zijn, en omdat ze zo vaag schijnen, weten we nooit dat ze er waren.