DEZE STER HEEFT HET EINDE VAN ZIJN LEVEN BEREIKT

Send

Op ongeveer 10.000 lichtjaar afstand, in het sterrenbeeld Centaurus, bevindt zich een planetaire nevel genaamd NGC 5307. Een planetaire nevel is het overblijfsel van een ster zoals onze zon, wanneer deze het einde van zijn leven heeft bereikt. Dit Hubble-beeld van NGC 5307 doet je niet alleen je afvragen over het verleden van de ster, het doet je nadenken over de toekomst van onze eigen zon.

Het proces van het verouderen van een ster en het bereiken van het einde van zijn levensduur is een lang, langzaam verhaal, onderbroken door episodes van snelle verandering. Net als NGC 5307, zal onze zon uiteindelijk een rode reus worden en de buitenste gaslagen afwerpen. Enkele miljarden jaren in de toekomst zal het zelf een witte dwerg worden, die de gaslagen verlicht die het als een planetaire nevel heeft afgeworpen.

Op dit moment staat onze zon op de hoofdreeks. Het smelt waterstof in zijn kern tot helium. Als gevolg van die fusie komt er een enorme hoeveelheid energie vrij, die de aarde verwarmt en het leven hier gaande houdt. (Het is eigenlijk niet de fusie zelf die de meeste warmte produceert, het is de proton-proton-ketting.)

Maar een ster is een evenwichtsoefening tussen de uiterlijke druk van de fusie en de innerlijke druk van zijn eigen zwaartekracht. Dat evenwicht wordt hydrostatisch evenwicht genoemd en het kan niet eeuwig duren.

Jaar na jaar, eeuw na eeuw, aeon voor aeon, blijft de zon waterstof in helium smelten, warmte afgeven en massa verliezen. Hoewel een ster als onze zon stabiel en onveranderlijk kan lijken, is niets in de natuur onveranderd. De zon smelt elke seconde ongeveer 600 miljoen ton waterstof tot helium en verliest daarbij massa. Het verliest massa door materie om te zetten in energie, zoals uitgelegd door Einsteins E = mc².

Dat is een aanzienlijk bedrag. In feite heeft de zon in zijn huidige 4,5 miljard jaar tot dusver een hoeveelheid massa verloren die vergelijkbaar is met de massa van Jupiter.

Uiteindelijk zal de evenwichtsoefening voor altijd worden veranderd, omdat de zon voldoende massa zal verliezen dat de inwaartse kracht van haar zwaartekracht niet genoeg zal zijn om de uitwendige kracht van haar versmelting te bevatten. De ster zal uitgroeien tot een rode reus.

Astronomen berekenen dat wanneer onze zon in ongeveer 5 miljard jaar een rode reus wordt, deze voldoende zal uitzetten om Mercurius, Venus en waarschijnlijk de aarde te verzwelgen. In de aanloop daarvan zal de zon ongeveer tweemaal zo helder worden als nu. Op dat moment zal de aarde ongeveer evenveel energie van de zon ontvangen als Venus nu. Geen goede prognose voor het leven.

Na zijn rode reuzenfase zal de zon een subreus worden. Het zal in de loop van een half miljard jaar verdubbelen. Dan komt er weer een fase van een half miljard jaar waarin het weer in omvang verdubbelt en ook tot tweeduizend keer helderder wordt. Op dit punt is de zon nu een enorm, helder, dreigend object dat rood is geworden en de binnenplaneten in het zonnestelsel heeft verteerd.

Op dit punt staat de zon op de rood-gigantische tak. Het heeft een kern van helium omgeven door een laag waterstof. Na miljarden jaren actief leven, heeft de zon nog maar ongeveer 100 miljoen jaar actief leven over. Maar er is veel activiteit gecomprimeerd in die 100 miljoen jaar.

Ten eerste is er de heliumflits, waar de zon 40% van zijn massa zal verbranden. Dat doet hij door ongeveer 6% van het helium in zijn kern om te zetten in koolstof. Dat duurt maar een paar minuten, een schokkende nevenschikking tegen de miljarden jaren in het leven van de zon.

Na het verliezen van al die massa, krimpt het tot ongeveer 10 keer zijn huidige grootte en ongeveer 50 keer zijn helderheid. Op dat moment staat de zon op de horizontale tak en zal hij de komende honderd miljoen jaar het helium in zijn kern blijven verbranden, en een beetje groter en helderder worden.

Maar nu heeft de zon bijna geen brandstof meer. Het helium in zijn kern wordt verder uitgeput en verliest meer massa. Niets kan dit tegenhouden, en de zon zal weer uitzetten, zoals toen hij voor het eerst de rode reuzenfase inging. Maar deze uitbreiding zal veel sneller gaan.

De zon versnelt en het wordt steeds onstabieler. Onze eens zo onverbiddelijke zon gaat zijn laatste stadia in. Het bevindt zich nu in de asymptotische-gigantische-takfase en zal in het begin van die fase ongeveer 20 miljoen jaar doorbrengen. Het heeft een grotendeels inerte kern van zuurstof en koolstof, een schaal waarin helium versmelt tot meer koolstof, en een andere schaal waar waterstof samensmelt tot helium. Er is veel aan de hand.

Het zal stuiptrekken in een reeks thermische pulsen en massaverlies. Elk van deze pulsen duurt ongeveer honderd jaar en in elk ervan zal de zon uitzetten en helderder worden. Elke puls zal sterker zijn dan de puls die eraan voorafgaat, en deze periode duurt ongeveer 100.000 jaar. Berekeningen tonen aan dat onze zon tegen het einde van zijn levensduur waarschijnlijk vier van deze pulsen zal ervaren.

Nadat de zon door deze pulsen is getroffen, zal de zon kalmeren. De zon is in alle opzichten dood. Of in ieder geval in coma. De pulsen hebben de buitenste lagen afgeworpen en het is nu een witte dwerg. Deze witte dwerg zal slechts ongeveer 50% van de oorspronkelijke massa van de zon bevatten.

De zon is dood omdat er geen fusie meer is. Als een witte dwerg zendt hij alleen opgeslagen energie uit. Het bestaat uit dicht opeengepakte, door elektronen gedegenereerde materie en er kan geen fusie plaatsvinden.

Maar het schijnt nog steeds, en de energie die het afgeeft, treft de gaslagen die het tijdens zijn thermische pulsen afgeeft, waardoor het gas wordt geïoniseerd en verlicht. Onze zon zal dan een planetaire nevel zijn. En dat brengt ons terug bij NGC 5307.

NGC 5307 is een blik vooruit naar het einde van het leven van de zon. Net als NGC 5307 zal onze zon op een dag, miljarden jaren vanaf nu, slechts een overblijfsel zijn van zijn vroegere glorie als een levengevende bal van plasma. Ondanks de naam van de planetaire nevel, zullen er geen planeten in de buurt zijn. Het zal ze tijdens de uitbreidingen hebben vernietigd. Er zal alleen gas zijn.

Maar zelfs het gas zal uiteindelijk weg zijn. Hij beweegt weg van de ster en is cool. Na ongeveer 10.000 jaar als planetaire nevel zal de voormalige zon biljoenen jaren blijven bestaan als een zwakke witte dwerg. Daarna zal de zon volgens de theorie een zwarte dwerg worden. Het is volledig afgekoeld en geeft geen energie af. Dit is theoretisch omdat er geen zwarte dwergen zijn waargenomen. In feite duurt het langer voordat een ster evolueert naar deze hypothetische zwarte dwergstaat dan tot dusver het tijdperk van het heelal zelf.

Het uitgestoten gas uit de planetaire nevel speelt nog steeds een rol. Tijdens de chaos van de laatste evolutiestadia van de zon produceerde het door de stellaire nucleosynthese elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium. Deze elementen, in de astronomie metalen genoemd, worden de ruimte in gestuurd en opgenomen in een ander stellair vormingsproces. Ze zullen de volgende geboren ster verrijken en de volgende planeten die zich rond deze toekomstige ster kunnen vormen.

De naam planetaire nevel is een verkeerde benaming uit vroegere tijden in de astronomie. Ze zijn op geen enkele manier gerelateerd aan planeten. Maar enkele van de eerste waarnemers van deze stellaire restanten, met de telescopen waarover ze destijds beschikten, zagen de ronde vormen en namen aan dat het planeten waren.

Nu weten we dat dit niet waar is. We herkennen ze nu voor wat ze zijn. Elk van deze nevels is als een momentopname van de miljarden jaren die nodig waren om deze staat te bereiken. En hoewel het waarschijnlijk nooit door menselijke ogen zal worden waargenomen, is dit het uiteindelijke lot van onze zon.

Opmerking voor lezers:

Er zit enorm veel detail in het leven en de uiteindelijke dood van een ster. Als we iets zeggen als "het samensmelten van waterstof in helium geeft warmte vrij" dan komt er veel meer bij kijken, en veel meer dan er in één artikel passen.

Als je meer wilt weten over sterren, raad ik "The Life and Death of Stars" (2013) van Kenneth R. Lang aan. Lang is een professor in de astronomie aan de Tufts University en hij kan uitstekend alles goed uitleggen.