De levensloop van sterren

Een aantal lezers heeft mij gevraagd of ik een blog wilde schrijven over de levensloop van sterren. Op scholen wordt veel aandacht besteed aan dit onderwerp en voor veel kinderen is het onderwerp sterren een grote inspiratiebron. Ik heb deze blog dus in de eerste plaats voor de kinderen geschreven maar ik hoop dat heel veel ouders het ook leuk vinden om te lezen!

Sterren worden geboren en sterven. Stergeboorte is een van de meest bijzondere processen in ons heelal. In diverse stofwolken en nevels in de ruimte vinden we grote kraamkamers waar sterren worden geboren. Maar wat gebeurt er in deze nevels? En wat is er nodig om nevels sterren te laten maken?

Aan het einde van hun leven gebeurt er ook iets bijzonders met sterren. Grote sterren exploderen in een supernova en worden neutronensterren of, als ze heel groot en zwaar zijn, zwarte gaten. Kleinere sterren doven langzaam uit. Maar wanneer gebeurt er nu wat?

Het geboorteproces van sterren

Sterren worden geboren in stof- en gaswolken, leven een tijd en sterven vervolgens. Bijna alle materiaal waar de ster van gemaakt is, wordt weer teruggeven aan de ruimte zodat daar weer nieuwe sterren van kunnen worden gemaakt. En op die manier ontstaat er soort van kringloop.

De wolk waaruit nieuwe sterren geboren worden is in een soort van evenwicht. De zwaartekracht van het materiaal dat in de wolk zit wil graag naar binnen samenpersen, maar de druk in de wolk duwt de wolk als het ware terug naar buiten. En wanneer er even hard naar binnen en naar buiten wordt geduwd, is de wolk dus in evenwicht. Dat evenwicht is echter wel heel broos. Doordat er in het heelal allerlei gebeurtenissen plaatsvinden (er razen bijvoorbeeld andere sterren voorbij en er vinden supernova-explosies plaats) kan dat evenwicht worden verstoord en kan de wolk gaan samenpersen. Tijdens het samenpersen neemt de temperatuur toe en ontstaat er uiteindelijk een protoster. Deze protoster blijft uitdijen tot het een volwassen ster is geworden. Deze uitdijing stopt als er weer een nieuw evenwicht is ontstaan tussen de naar binnen en de naar buiten toe gerichte krachten. Een nieuwe ster is geboren!

Wanneer er heel veel materie in een wolk te vinden is, zal er een heel grote en heel hete ster ontstaan. Is er minder materie, dan zal er een kleinere ster ontstaan. Onze zon is ook op deze manier ontstaan en is een ster van gemiddelde grootte.

Superreuzen

De grootste sterren die we kennen zijn de zogenaamde superreuzen. Deze zijn tien tot honderd keer zo zwaar als onze zon en geven tot wel 300.000 keer meer licht. Deze sterren branden zo gigantisch fel dat ze daardoor niet zo oud worden. Meestal bestaan ze maar een paar miljoen jaar. Dat lijkt heel oud, maar onze zon zal zo’n 10 miljard jaar oud worden. En sterren die kleiner zijn dan de zon zullen zelfs meer dan 100 miljard jaar oud worden!

Zo’n superreus is blauw van kleur. Deze kleur zegt iets over de temperatuur van de ster: blauwe sterren zijn heel heet, terwijl rode sterren juist veel minder heet zijn. Als de superreus door zijn brandstof heen is, zal de ster gaan afkoelen en zal hij langzaam rood worden. Bovendien zal de ster nog verder gaan opzwellen, totdat hij wel enkele honderden keren groter is dan onze zon. Als uiteindelijk alle brandstof op is, zal zijn leven eindigen in een enorme explosie: een supernova.

Sterren als de zon

Ongeveer 15% van alle sterren zijn vergelijkbaar met onze zon. Ze zijn geel of oranje en komen aan hun energie door kernfusie van waterstof in het binnenste van de ster.

Terwijl de veel zeldzamere superreuzen een kort en heftig leven hebben, zijn zonachtige sterren maar saai. Ze verbruiken langzaam hun brandstof om vervolgens minder helder en roder van kleur te worden. Uiteindelijk zwellen ze op tot een zogenaamde rode reus. Uiteindelijk laten de buitenste lagen van de rode reus los en vallen uit elkaar in een planetaire nevel. In het midden van deze nevel blijft er nog een piepklein sterrestje achter: een witte dwerg. En deze witte dwerg zal heel langzaam, in een periode van tientallen miljarden jaren, gaan afkoelen.

Rode en bruine dwergsterren

Van alle sterren in het heelal is 5% een superreus en 15% vergelijkbaar met de zon. De rest bestaat uit dwergsterren: kleine, zwakke sterren die een lang en saai bestaan hebben.

De grotere dwergsterren, rode dwergen, branden net als zonachtige sterren uiteindelijk op en worden een witte dwerg. De kleinere bruine dwergen zijn te klein en te licht om echt te kunnen ontbranden. Er vindt wel een soort van verbranding in de bruine dwerg plaats waardoor hij heel langzaam maar zeker opbrandt. Heel verwarrend trouwens: bruine dwergen zijn eigenlijk donkerrood van kleur, maar omdat de naam rode dwerg al gebruikt wordt voor de kleinere dwergsterren, heeft men, om verwarring te voorkomen, voor de naam bruine dwerg gekozen.

Het einde van een ster

In het binnenste van de ster vindt een proces plaats dat kernfusie heet. Bij kernfusie botsen de lichte elementen tegen elkaar en smelten zo samen tot grotere elementen. Daar haalt de ster zijn energie vandaan. Maar na verloop van tijd raakt deze brandstof op. Er komen steeds meer zwaardere elementen en de lichtere elementen verdwijnen meer en meer. Daardoor is het voor de ster steeds lastiger om energie op te wekken. Blauwe superreuzen zijn heel snel door hun energie heen, terwijl rode dwergsterren het heel lang kunnen volhouden.

Onze zon en sterren die lijken op onze zon zijn na zo’n tien miljard jaar opgebrand. Dan laten ze hun buitenste lagen los in een planetaire nevel met in het midden een kleine witte dwerg. Deze sterrest bestaat voornamelijk uit het element koolstof.

Sterren die meer dan 2,5 keer zwaarder zijn dan onze zon gaan nog even door met de kernfusie om nog grotere elementen te maken. Zij fuseren door tot silicium en daarna tot ijzer. En…. dan houdt het ineens op. Want de kernfusie van ijzer levert geen energie meer op maar kost juist energie. Het is dus geen energiebron meer voor de ster. En als dat gebeurt, stort het binnenste van de ster in en ontstaat er een supernova-explosie. Dit is een van de meest heftige verschijnselen die in ons heelal plaatsvindt. Uiteindelijk blijft er een neutronenster over of ontstaat er een zwart gat.

Planetaire nevel

De zon of een ster die lijkt op de zon begint aan het einde van zijn leven op te zwellen. De buitenlagen van de ster vallen uit elkaar en zenden veel licht uit. Daarom zijn planetaire nevels in het heelal goed te vinden. In een planetaire nevel is een bepaalde kleur groen licht heel goed te zien. Dat komt door het element zuurstof. Doordat we deze kleur zo goed kennen, zijn er heel veel metingen aan nevels gedaan en heeft men ook al veel mooie ontdekkingen gedaan.

Supernova

Sterren hebben eigenlijk best een lastig leven. Steeds moet de ster genoeg energie produceren om op die manier de zwaartekracht die de ster wil samenpersen tegen te gaan. Maar als alle materiaal op is en de kernfusie daardoor stopt, gaat de zwaartekracht het winnen. De ster wordt in elkaar geduwd. Dat noemen we een implosie. Bij deze implosie komt er heel veel energie vrij, waardoor de buitenkant van de ster als het ware explodeert. Dat noemen we een supernova.

Een supernova is gigantisch helder. Het geeft meer licht dan alle sterren van een heel sterrenstelsel samen. De binnenkant van de ster wordt samengeperst tot een neutronenster of, als de ster nóg veel zwaarder was, tot een zwart gat. De weggeschoten buitenkant van een ster blijft nog heel lang in de ruimte hangen in de vorm van een nevel. Een heel bekende nevel is de Krabnevel.

Neutronenster

Op het moment dat de binnenkant van de ster instort, dan worden de atomen waarvan de kern is elkaar gedrukt en veranderen in kleine klomp neutronen. Doordat neutronen heel kleine deeltjes zijn kunnen ze flink dicht op elkaar gepakt worden. De zwaartekracht kan daardoor beter worden tegengewerkt. Een neutronenster is ongeveer twee keer zo zwaar als onze zon, maar slechts 10 kilometer in doorsnede! De deeltjes zitten enorm dicht op elkaar gepakt. Dat kun je vergelijken met wat je zou krijgen als je alle mensen op aarde gaat samenpersen in een suikerklontje.

Zwart gat

De massa van een extreem zware ster is zo groot, dat zelfs de neutronenster niet sterk genoeg is om de zwaartekracht tegen te werken. Het binnenste van de ster blijft dus maar doorkrimpen tot een bijzonder object: een zwart gat. In een zwart gat is de massa van de ster helemaal omgezet in energie. Deze energie zit samengepakt in één heel klein punt. De zwaartekracht is daar zo gigantisch sterk dat zelfs het licht niet kan ontsnappen. Vandaar de naam: als er licht op een zwart gat schijnt, zal er nooit iets van terugkomen en ziet het er dus zwart uit.

Om zwarte gaten te vinden, kijken wetenschappers daarom vooral naar het gedrag van sterren in de omgeving van een zwart gat. Deze worden namelijk een beetje aangetrokken door de enorme zwaartekracht van een zwart gat en dat kun je meten. In het midden van de meeste sterrenstelsels vinden we vaak een heel groot zwart gat. Dat zwarte gat is waarschijnlijk zo enorm groot geworden, doordat het grote hoeveelheden sterren en sterresten opgeslokt heeft.

Witte dwerg

De meeste sterren eindigen niet in een heftige supernova-explosie en worden dus ook nooit een neutronenster of een zwart gat. Deze sterren (en onze zon is er daar een van) stoten hun buitenkant af in een planetaire nevel. Het binnenste van de ster wordt dan een witte dwerg. Bij een witte dwerg zitten de elementen heel dicht op elkaar gepakt. Als we de zon zouden samenpersen tot een object zo groot als de aarde, krijgen we iets vergelijkbaars. Witte dwergen bestaan uit de elementen koolstof en zuurstof. Mocht een witte dwerg toch behoorlijk groot zijn (zo’n 1,4 keer de massa van de zon of groter) dan zal de witte dwerg alsnog met een supernova-explosie aan het zijn einde komen. Kleinere witte dwergen doen dat niet en blijven miljarden jaren een donker en klein sterrestje.

Superbel

Wanneer er in een stukje van de ruimte veel grote supernova-explosies plaatsvinden dan kan er een zogenaamde superbel vormen. In zo’n gebied is bijna geen gas en stof meer te vinden, want dat is allemaal door de supernova-explosies weggeblazen. Onze zon bevindt zich waarschijnlijk ook in zo’n superbel. Eigenlijk is een superbel het tegenovergestelde van een stervormingsgebied. Het is een grote leegte waar maar weinig nieuwe sterren zullen worden gemaakt.

Doordat er steeds nieuwe sterren worden geboren en er aan de andere kant ook steeds sterren sterven, is het heelal steeds aan het veranderen.