Onze hemel is bedekt met een zee van stellaire geesten; alle potentiële fantomen die al miljoenen jaren dood zijn en toch weten we het nog niet. Dat is wat we vandaag zullen bespreken. Wat gebeurt er met de grootste van onze sterren en hoe beïnvloedt dat de samenstelling van het universum waarin we ons bevinden.
We beginnen deze reis met het observeren van de Krabnevel. Zijn prachtige kleuren strekken zich uit naar buiten in de donkere leegte; een hemelgraf met een gewelddadige gebeurtenis die millennia geleden plaatsvond. Je reikt uit en met een beweging van je pols, begin je de tijd terug te spoelen en zie je hoe deze prachtige nevels beginnen te krimpen. Terwijl de klok achteruit draait, beginnen de kleuren van de nevel te veranderen en merk je dat ze tot een enkel punt krimpen. Als de kalender 5 juli 1054 nadert, wordt de gaswolk helderder en nestelt zich op een enkel punt aan de hemel dat net zo helder is als de volle maan en overdag zichtbaar is. De helderheid neemt af en uiteindelijk lag er een lichtpuntje; een ster die we vandaag niet zien. Deze ster is overleden, maar op dit moment hadden we dat niet geweten. Voor een waarnemer vóór deze datum leek deze ster eeuwig, net als alle andere sterren. Maar zoals we weten vanuit ons bevoorrechte gezichtspunt, staat deze ster op het punt om supernova te worden en een van de meest spectaculaire nevels te baren die we vandaag waarnemen.
Stellaire geesten zijn een geschikte manier om veel van de massieve sterren te beschrijven die we overal in het universum zien. Wat velen niet beseffen, is dat wanneer we diep in het universum kijken, we niet alleen over grote afstanden kijken, maar ook terug in de tijd kijken. Een van de fundamentele eigenschappen van het heelal die we vrij goed kennen, is dat licht met een eindige snelheid reist: ongeveer 300.000.000 m / s (ongeveer 671.000.000 mph). Deze snelheid is bepaald door middel van vele rigoureuze tests en fysieke bewijzen. In feite is het begrijpen van deze fundamentele constante een sleutel tot veel van wat we weten over het universum, vooral met betrekking tot zowel algemene relativiteitstheorie als kwantummechanica. Desondanks is het belangrijk om de snelheid van het licht te kennen om te begrijpen wat ik bedoel met stellaire geesten. Zie je, informatie beweegt met de snelheid van het licht. We gebruiken het licht van de sterren om ze te observeren en om te begrijpen hoe ze werken.
Een mooi voorbeeld van deze vertraging is onze eigen zon. Onze zon is ongeveer 8 lichtminuten verwijderd. Dit betekent dat het licht dat we van onze ster zien 8 minuten nodig heeft om de reis van het oppervlak naar onze ogen op aarde te maken. Als onze zon nu plotseling zou verdwijnen, zouden we er acht minuten niets van weten; dit omvat niet alleen het licht dat we zien, maar zelfs de zwaartekracht die op ons wordt uitgeoefend. Dus als de zon op dit moment verdween, zouden we nog 8 minuten doorgaan op ons baanpad rond onze nu niet-bestaande ster voordat de gravitatie-informatie ons bereikte en ons vertelde dat we er niet langer door de zwaartekracht aan gebonden waren. Dit stelt onze kosmische snelheidslimiet vast voor hoe snel we informatie kunnen ontvangen, wat betekent dat alles wat we diep in het universum waarnemen naar ons toe komt zoals het een ‘x’ jaar geleden was, waarbij ‘x’ de lichtafstand van ons is. Dit betekent dat we een ster waarnemen die 10 lichtjaar van ons verwijderd is, zoals het 10 jaar geleden was. Als die ster nu zou sterven, zouden we er nog tien jaar niets van weten. We kunnen het dus definiëren als een "stellaire geest"; een ster die vanuit zijn perspectief dood is op zijn locatie, maar nog steeds springlevend is bij de onze.
Zoals beschreven in een vorig artikel van mij (Stars: A Day in the Life), is de evolutie van een ster complex en zeer dynamisch. Veel factoren spelen een belangrijke rol bij alles, van het bepalen of de ster überhaupt zal vormen, tot de grootte en dus de levensduur van de ster. In het vorige artikel dat hierboven is genoemd, behandel ik de basis van de vorming van sterren en het leven van wat we hoofdreekssterren noemen, of liever sterren die erg op onze eigen zon lijken. Hoewel het vormingsproces en de levensduur van een hoofdreeksster en de sterren die we zullen bespreken redelijk op elkaar lijken, zijn er belangrijke verschillen in de manier waarop de sterren die we gaan onderzoeken afsterven. Sterfgevallen in de hoofdreeks zijn interessant, maar ze zijn nauwelijks te vergelijken met de ruimtetijd-buigende manieren waarop deze grotere sterren eindigen.
Zoals hierboven vermeld, toen we de lang verdwenen ster waarnamen die in het midden van de Krabnevel lag, was er een punt waarop dit object zo helder gloeide als de volle maan en overdag te zien was. Wat kan ervoor zorgen dat iets zo helder wordt dat het vergelijkbaar is met onze naaste hemelse buurman? Gezien het feit dat de Krabnevel 6.523 lichtjaar verwijderd is, betekende dat dat iets dat ongeveer 153 miljard keer verder weg is dan onze maan, zo helder scheen als de maan. Dit kwam omdat de ster supernova werd toen hij stierf, wat het lot is van sterren die veel groter zijn dan onze zon. Sterren die groter zijn dan onze zon zullen na haar dood in twee zeer extreme staten terechtkomen: neutronensterren en zwarte gaten. Beide zijn waardige onderwerpen die weken kunnen duren in een astrofysica-cursus, maar voor ons vandaag zullen we gewoon bespreken hoe deze zwaartekrachtmonsters zich vormen en wat dat voor ons betekent.
Het leven van een ster is een verhaal van bijna weggelopen fusie die wordt vastgehouden door de greep van zijn eigen zwaartekracht. We noemen dit hydrostatisch evenwicht, waarbij de uitgaande druk van de fuserende elementen in de kern van een ster gelijk is aan die van de inwaartse zwaartekracht die wordt uitgeoefend vanwege de massa van de ster. In de kern van alle sterren wordt waterstof (in eerste instantie) versmolten tot helium. Deze waterstof kwam uit de nevel waaruit de ster was geboren, die samenvloeide en instortte, waardoor de ster zijn eerste kans op leven kreeg. Gedurende de hele levensduur van de ster zal de waterstof opgebruikt zijn en zal steeds meer helium "as" in het midden van de ster condenseren. Uiteindelijk raakt de ster zonder waterstof en stopt de fusie even. Dit gebrek aan uitwendige druk omdat er geen fusie plaatsvindt, laat tijdelijk de zwaartekracht winnen en verplettert de ster naar beneden. Naarmate de ster kleiner wordt, neemt de dichtheid en dus de temperatuur in de kern van de ster toe. Uiteindelijk bereikt het een bepaalde temperatuur en begint de heliumas te smelten. Zo verlopen alle sterren gedurende het grootste deel van hun leven en tot in de eerste stadia van haar dood. Dit is echter waar de sterren ter grootte van de zon en de massieve sterren we gedeeltelijk bespreken.
Een ster die ongeveer zo groot is als onze eigen zon, zal door dit proces gaan totdat hij koolstof bereikt. Sterren van deze grootte zijn simpelweg niet groot genoeg om koolstof te laten samensmelten. Dus wanneer al het helium is samengesmolten tot zuurstof en koolstof (via twee processen die te complex zijn om hier te behandelen), kan de ster de zuurstof en koolstof niet genoeg "verbrijzelen" om fusie te starten, wint de zwaartekracht en sterft de ster. Maar sterren die voldoende meer massa hebben dan onze zon (ongeveer 7x de massa) kunnen voorbij deze elementen blijven en blijven schijnen. Ze hebben genoeg massa om dit 'crush and fuse'-proces voort te zetten, dat zijn de dynamische interacties in de harten van deze hemelovens.
Deze grotere sterren zullen hun fusieproces voortzetten voorbij koolstof en zuurstof, voorbij silicium, helemaal tot ze ijzer bereiken. IJzer is de doodsbrief gezongen door deze brandende kolossen, want wanneer ijzer hun nu stervende kern begint te vullen, is de ster in zijn doodsworp. Maar deze enorme energiestructuren gaan niet stilletjes de nacht in. Ze gaan op de meest spectaculaire manieren uit. Wanneer de laatste van de niet-ijzerelementen in hun kernen versmelten, begint de ster in de vergetelheid te raken. De ster stort op zichzelf in, omdat hij de meedogenloze greep van de zwaartekracht niet kan afwenden, waardoor de opeenvolgende lagen van overgebleven elementen van zijn leven worden verpletterd. Deze innerlijke vrije val wordt op een bepaalde grootte opgevangen met een onmogelijke kracht om te doorbreken; een neutronendegeneratiedruk die de ster dwingt naar buiten terug te springen. Deze enorme hoeveelheid zwaartekracht en kinetische energie racet terug met een woede die het universum verlicht en hele sterrenstelsels in een oogwenk overtreft. Deze woede is het levensbloed van de kosmos; de trommel slaat in de galactische symfonie, omdat deze intense energie de fusie van elementen die zwaarder zijn dan ijzer mogelijk maakt, helemaal tot uranium. Deze nieuwe elementen worden naar buiten geblazen door deze verbazingwekkende kracht, die de energiegolven berijdt die ze diep in de kosmos werpen, en het universum bezaaien met alle elementen die we kennen.
Maar wat blijft er over? Wat is er na dit spectaculaire evenement? Dat hangt allemaal weer af van de massa van de ster. Zoals eerder vermeld, zijn de twee vormen die een dode massieve ster aanneemt ofwel een neutronenster ofwel een zwart gat. Voor een Neutron Star is de formatie vrij complex. In wezen vinden de gebeurtenissen die ik heb beschreven plaats, behalve dat er na de supernovae alleen nog een bol gedegenereerde neutronen overblijft. Gedegenereerd is gewoon een term die we toepassen op een vorm die materie aanneemt wanneer deze wordt gecomprimeerd tot de limieten die door de natuurkunde zijn toegestaan. Iets dat gedegenereerd is, is intens dicht, en dit geldt heel goed voor een neutronenster. Een nummer dat je misschien hebt gehoord, is dat een theelepel neutronenster-materiaal ongeveer 10 miljoen ton zou wegen en een ontsnappingssnelheid zou hebben (de snelheid die nodig is om weg te komen van de zwaartekracht) met ongeveer 0,4 c, of 40% van de snelheid van licht. Soms blijft de neutronenster met ongelooflijke snelheden ronddraaien en we noemen deze pulsars; de naam is afgeleid van hoe we ze detecteren.
Dit soort sterren genereert VEEL straling. Neutronensterren hebben een enorm magnetisch veld. Dit veld versnelt de elektronen in hun sterrenatmosfeer tot ongelooflijke snelheden. Deze elektronen volgen de magnetische veldlijnen van de neutronenster naar de polen, waar ze radiogolven, röntgenstralen en gammastraling kunnen afgeven (afhankelijk van het type neutronenster). Omdat deze energie zich concentreert op de polen, creëert het een soort vuurtoreneffect met hoogenergetische stralen die werken als de lichtstralen uit een vuurtoren. Terwijl de ster draait, zwaaien deze stralen vele malen per seconde rond. Als de aarde, en dus onze observatieapparatuur, gunstig georiënteerd is met deze pulsar, zullen we deze "pulsen" van energie registreren terwijl de stralen van de sterren over ons heen spoelen. Voor alle pulsars die we kennen, zijn we veel te ver weg om deze bundels energie ons pijn te doen. Maar als we dicht bij een van deze dode sterren zouden zijn, zou deze straling die continu over onze planeet spoelt een zekere uitsterving betekenen voor het leven zoals we dat kennen.
Hoe zit het met de andere vorm die een dode ster aanneemt; een zwart gat? Hoe komt dit voor? Als gedegenereerd materiaal zover is als we materie kunnen verpletteren, hoe ziet een zwart gat er dan uit? Simpel gezegd, zwarte gaten zijn het resultaat van een onvoorstelbaar grote ster en dus een werkelijk enorme hoeveelheid materie die deze neutronendegeneratiedruk bij het instorten kan 'breken'. De ster valt in wezen met zo'n kracht naar binnen dat hij deze ogenschijnlijk fysieke limiet overschrijdt, in zichzelf overgaat en de ruimtetijd omhult tot een punt van oneindige dichtheid; een bijzonderheid. Deze verbazingwekkende gebeurtenis vindt plaats wanneer een ster ongeveer 18x de hoeveelheid massa heeft die onze zon heeft, en wanneer hij sterft, is het echt de belichaming van de natuurkunde die tot het uiterste is doorgegaan. Dit 'extra beetje massa' zorgt ervoor dat deze bal van gedegenereerde neutronen kan instorten en naar het oneindige kan vallen. Het is zowel angstaanjagend als mooi om over na te denken; een punt in de ruimtetijd dat niet helemaal wordt begrepen door onze natuurkunde, en toch bestaat er iets waarvan we weten dat het bestaat. Het opmerkelijke aan zwarte gaten is dat het lijkt alsof het universum tegen ons werkt. De informatie die we nodig hebben om de processen binnen een zwart gat volledig te begrijpen, zit opgesloten achter een sluier die we de gebeurtenishorizon noemen. Dit is het punt van geen terugkeer voor een zwart gat, waarvoor alles buiten dit punt in de ruimtetijd geen toekomstige paden heeft die daaruit leiden. Niets ontsnapt op deze afstand van de ingestorte ster aan de kern, zelfs geen licht, en dus verlaat geen enkele informatie ooit deze grens (althans niet in een vorm die we kunnen gebruiken). Het donkere hart van dit werkelijk verbazingwekkende object laat veel te wensen over en verleidt ons om het rijk binnen te gaan om te proberen het onkenbare te leren kennen; om de vrucht van de boom van kennis te grijpen.
Nu moet gezegd worden dat er tot op de dag van vandaag veel onderzoek is met zwarte gaten. Natuurkundigen zoals onder meer professor Stephen Hawking hebben onvermoeibaar gewerkt aan de theoretische fysica achter hoe een zwart gat werkt, in een poging de paradoxen op te lossen die vaak voorkomen wanneer we proberen het beste van onze fysica tegen hen te gebruiken. Er zijn veel artikelen en artikelen over dergelijk onderzoek en hun latere bevindingen, dus ik zal niet ingaan op hun fijne kneepjes omdat ze de eenvoud van begrip willen behouden en ook niet willen wegnemen van de verbazingwekkende geesten die aan deze problemen werken. Velen suggereren dat de singulariteit een wiskundige nieuwsgierigheid is die niet volledig representeert wat er fysiek gebeurt. Dat de materie binnen een evenementenhorizon nieuwe en exotische vormen kan aannemen. Het is ook vermeldenswaard dat in Algemene Relativiteit alles met massa kan instorten tot een zwart gat, maar we houden over het algemeen vast aan een reeks massa's omdat het creëren van een zwart gat met iets minder dan in dat massabereik ons begrip van hoe dat kan gebeuren. Maar als iemand die natuurkunde studeert, zou ik nalaten te vermelden dat we vanaf nu een interessante dwarsdoorsnede van ideeën hebben die heel nauw omgaan met wat er werkelijk gebeurt binnen deze spookverschijnselen.
Dit alles brengt me terug op een punt dat gemaakt moet worden. Een feit dat erkend moet worden. Toen ik de dood van deze zware sterren beschreef, raakte ik iets aan dat zich voordoet. Terwijl de ster wordt losgerukt van zijn eigen energie en de inhoud ervan naar buiten wordt geblazen in het universum, gebeurt er iets dat nucleosynthese wordt genoemd. Dit is de samensmelting van elementen om nieuwe elementen te creëren. Van waterstof tot uranium. Deze nieuwe elementen worden met ongelooflijke snelheden naar buiten gestraald, en dus zullen al deze elementen uiteindelijk hun weg vinden naar moleculaire wolken. Moleculaire wolken (Dark Nebulae) zijn de stellaire kraamkamers van de kosmos. Dit is waar sterren beginnen. En van stervorming krijgen we planetaire vorming.
Terwijl een ster zich vormt, begint een wolk van puin die bestaat uit de moleculaire wolk die de ster heeft geboren, eromheen te draaien. Deze wolk bevat, zoals we nu weten, al die elementen die in onze supernova's waren gekookt. De koolstof, de zuurstof, de silicaten, het zilver, het goud; allemaal aanwezig in deze cloud. Op deze accretieschijf over deze nieuwe ster vormen zich planeten die samenvloeien uit deze verrijkte omgeving. Ballen van rots en ijs die botsen, aangroeien, uit elkaar worden gescheurd en vervolgens worden hervormd terwijl de zwaartekracht zijn ijverige handen werkt om deze nieuwe werelden tot eilanden van mogelijkheden te vormen. Deze planeten zijn gevormd uit diezelfde elementen die werden gesynthetiseerd in die catastrofale uitbarsting. Deze nieuwe werelden bevatten de blauwdrukken voor het leven zoals wij die kennen.
Op een van deze werelden komt een bepaald mengsel van waterstof en zuurstof voor. Binnen dit mengsel vormen zich bepaalde koolstofatomen om replicerende ketens te creëren die een eenvoudig patroon volgen. Misschien na miljarden jaren, zullen dezelfde elementen die door die stervende ster in het universum zijn gestoken, zichzelf tot leven wekken door iets dat de majesteit, de kosmos, kan opzoeken en waarderen. Misschien heeft dat iets de intelligentie om te beseffen dat het koolstofatoom erin hetzelfde koolstofatoom is dat is gemaakt in een stervende ster, en dat er een supernova is opgetreden waardoor dat koolstofatoom zijn weg kon vinden naar het juiste deel van het universum op de juiste tijd. De energie die de laatste stervende adem was van een lange dode ster, was dezelfde energie die het leven de eerste keer liet ademen en naar de sterren staarde. Deze stellaire geesten zijn onze voorouders. Ze zijn in vorm verdwenen, maar blijven toch in ons chemisch geheugen. Ze bestaan in ons. We zijn supernova. We zijn sterrenstof. We stammen af van stellaire geesten ...
