Nucleosynthese en de oerknal – waarom het heelal begon met waterstof en helium, en verder niets

Vandaag even geen Messier Maandag. In plaats daarvan maken we een uitstapje naar een ander artikel van onze astro-vriend Ethan Siegel van Starts With a Bang – de ultieme herkomst van de elementen.

Als je rondkijkt in het huidige universum, dan zal je één ding opvallen: het stikt werkelijk van de waterstof en helium. Dat is ook logisch – het is immers de fusie van waterstof tot helium dat de krachtbron vormt van de meeste sterren die het heelal vullen met hun licht.

credit: ESA/Hubble, NASA and H. Ebeling.

Hier op aarde gaat deze vlieger niet op: waterstof en helium maken slechts een heel klein deel uit van onze thuiswereld. Sterker nog: gesorteerd op massa bestaat de aarde voor minder dan een procent uit waterstof en helium. Als we ons beperken tot de aardkorst, zakt dit percentage zelfs nog meer naar beneden. De conclusie is duidelijk: onze planeet bestaat vrijwel geheel uit elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium.

credit: Gordon B. Haxel, Sara Boore, and Susan Mayfield from USGS / Wikimedia user michbich.

Vrijwel al deze zware elementen zijn ontstaan in eerdere generaties van sterren. Deze sterren hebben tijdens hun leven kernbrandstof gefuseerd tot zwaardere elementen. Uiteraard zijn deze sterren ook weer overleden, waarbij de zware en verrijkte elementen zijn teruggegeven aan de kosmos. Vervolgens zijn deze zware elementen terecht gekomen in de volgende generatie van sterren en uiteindelijk, nadat er voldoende van gemaakt was, ook in rotsachtige planeten.

credit: NASA / Lynette Cook.

Het heelal is echter niet begonnen met deze zwaardere elementen. Sterker nog, volgens de oerknaltheorie is het heelal momenteel aan het uitdijen en afkoelen. Dat betekent dat alle materie in het verleden veel dichter opeengepakt moet zijn geweest en dat de straling ooit veel heter moet zijn geweest. Als je ver genoeg teruggaat in de tijd, dan is de dichtheid en temperatuur zelfs te hoog voor de productie van neutrale atomen – althans, zonder deze weer direct uit elkaar te laten knallen. Toen het heelal vroeger voldoende was afgekoeld, is de productie van neutrale atomen echt goed op gang gekomen – dit is waar de kosmische achtergrondstraling vandaan komt.

Credit: Pearson / Addison Wesley, retrieved from Jill Bechtold.

Op dat moment bestond het heelal voor 92% uit waterstof en voor 8% uit helium, in absolute aantallen – of voor 75% uit waterstof en voor 25% helium, gesorteerd op massa. Daarnaast was er ook een minuscule hoeveelheid lithium en beryllium, maar verder helemaal niets. Maar hoe is die verhouding precies ontstaan? Het had immers niet zo hoeven te zijn – als het universum vroeger heet en dicht genoeg was voor spontane kernfusie, waarom is er dan niet meer helium ontstaan? En waarom zijn er helemaal geen andere elementen gevormd?Om het antwoord op die vraag te vinden, moeten we zeer ver teruggaan in de tijd. Niet naar de eerste paar honderdduizend jaar van het heelal, toen de eerste (stabiele) atomen gevormd werden. Ook niet naar de eerste jaren, dagen of uren! Nee, we moeten teruggaan naar de tijd dat de temperatuur dusdanig hoog was, dat atoomkernen niet gevormd konden worden zonder direct weer uiteen te vallen. We moeten zelfs nog verder terug, naar het moment waarop het heelal gevuld was met bijna gelijke aantallen materie en antimaterie – het heelal was toen een fractie van een seconde oud.

credit: James Schombert of the University of Oregon.

Het heelal was ooit dusdanig heet, dat het gevuld was met een vrijwel gelijke hoeveelheid materie en antimaterie: protonen en antiprotonen, neutronen en antineutronen, elektronen en positronen, neutrino’s en antineutrino’s en natuurlijk fotonen (die hun eigen antideeltjes zijn). Overigens zijn ze niet exact gelijk, maar daar kun je hier meer over lezen. Als het universum heet is – en met heet bedoel ik boven de temperatuur die nodig is om spontaan materie/antimaterie paren te vormen vanuit normale fotonen – dan krijg je een enorme hoeveelheid materie en antimaterie.Nu komt het opmerkelijke: de snelheid waarmee materie/antimaterie paren gevormd worden is exact gelijk aan de snelheid waarmee ze weer vernietigd worden. Immers: zodra een materie/antimaterie paar gevormd wordt, trekken ze elkaar aan. Zodra materie en antimaterie elkaar raken, annihileren ze weer terug naar fotonen! Naarmate het universum verder afkoelt, beginnen de materie/antimaterie paren elkaar sneller te annihileren. Daarnaast wordt het moeilijker om fotonen te vinden met voldoende energie om deze paren te maken. Uiteindelijk is het dusdanig afgekoeld dat exotische deeltjes verdwijnen, waarna alle antiprotonen en antineutronen annihileren met protonen en neutronen. Alles wat overblijft is een kleine asymmetrie van materie (in de vorm van protonen en neutronen), badend in een zee van straling.

credit: Ethan Siegel, background by Christoph Schaefer.

Op dat moment (het universum is nog altijd minder dan een seconde oud) zijn er ongeveer evenveel protonen en neutronen, met een verhouding van ongeveer 50:50. Deze protonen en neutronen zullen uiteindelijk de atomen van ons universum worden, maar zover is het nog lang niet. Elektronen (en positronen) zijn echter veel lichter en bestaan dus nog altijd in enorme aantallen (met enorm veel energie) – maar ook daar zal een einde aan komen.

credit: Addison-Wesley, retrieved from J. Imamura / U. of Oregon.

Het is nog altijd heet genoeg om protonen en neutronen vrij gemakkelijk in elkaar te laten veranderen: een proton kan combineren met een elektron om een neutron te maken (en een elektron-neutrino), terwijl een neutron kan combineren met een elektron-neutrino om een proton en een elektron te maken. Dit is waarom er destijds bijna evenveel protonen als neutronen waren.Neutronen zijn, zoals je misschien wel weet, iets zwaarder dan protonen – een verschil van ongeveer 0,2%. Naarmate het universum verder afkoelt (en de positronen weg-annihileren), wordt het steeds moeilijker om een proton-elektron paar te vinden met voldoende energie om een neutron te maken. Het is echter relatief gemakkelijk voor een neutron-neutrino paar om een proton-elektron paar te vormen. Hierdoor wordt – in de eerste drie seconden van het heelal – een behoorlijke fractie van de neutronen omgezet in protonen. Tegen de tijd dat deze interacties insignificant worden, is de verhouding tussen protonen en neutronen veranderd van 50:50 naar 85:15.

credit: Smith, Christel J. et al. Phys.Rev. D81 (2010) 065027.

Deze protonen en neutronen zijn heet, dicht en algemeen genoeg om te fuseren tot zwaardere elementen en geloof me, dat willen ze graag! Helaas gooien fotonen (stralingsdeeltjes) roet in het eten. Er zijn namelijk een miljard keer meer fotonen dan protonen en neutronen, zodat de komende minuten iedere vorm van fusie ongedaan wordt gemaakt. Zodra een proton en een neutron samen komen om deuterium te vormen (de eerste stap van kernfusie), dan zal altijd een hoogenergetisch foton langskomen om het geheel weer uit elkaar te laten knallen. Dit proces staat bekend als de deuterium-flessenhals; aangezien deuterium relatief fragiel is, zal deze fragiliteit ervoor zorgen dat verdere kernreacties niet plaats kunnen hebben.

credit: Ethan Siegel, modified from Lawrence Berkeley Labs.

In de tussentijd, enkele minuten later, gaat er iets anders gebeuren. Een vrij proton is stabiel, zodat er niets mee kan gebeuren. Een vrij neutron is echter instabiel – het zal vervallen tot een proton, elektron en elektron-neutrino met een halfwaardetijd van ongeveer tien minuten. Tegen de tijd dat het universum voldoende is afgekoeld om deuterium niet meteen te vernietigen, zijn nog eens drie minuten verstreken. Hierdoor is de verhouding tussen protonen en neutronen veranderd van 85:15 tot bijna 88:12.

credit: Ronaldo E. de Souza.

Nu deuterium (eindelijk) stabiel geproduceerd kan worden, begint de kernfusie op gang te komen – en hoe! Het heelal is nog altijd heet en dicht genoeg om (via enkele “fusiekettingen”) ervoor te zorgen dat vrijwel ieder neutron een groepje zal vormen met nog een neutron en twee protonen. Het resultaat is helium-4, een isotoop van helium dat (qua energie) veel stabieler is dan deuterium, tritium of helium-3!

Credit: taken from LBL, stitched together by Ethan Siegel.

Tegen de tijd dat dit gebeurt is, op het moment dat het heelal vijf minuten oud is, zal de dichtheid te ver zijn afgenomen om de volgende fusiereactie spontaan te laten plaatsvinden. Dat betekent dat de volgende stap – de fusie van helium-4 tot koolstof-12 – pas tientallen miljoenen jaren later zal beginnen, als de eerste sterren gevormd zijn!Maar de zojuist gevormde atoomkernen zijn stabiel en er zal daarnaast ook een beetje helium-3 zijn (waarin tritium uiteindelijk zal vervallen), deuterium (waterstof-2) en een heel klein beetje lithium en zelfs beryllium, het resultaat van heel zeldzame fusiereacties.

credit: NASA, WMAP Science Team and Gary Steigman.

Maar de overgrote meerderheid van alle neutronen (99,9%) zullen uiteindelijk opgesloten zitten in helium-4 kernen. Aangezien het heelal vlak voor de nucleosynthese (de fusie naar zwaardere elementen) voor 12% uit neutronen heeft bestaan en voor 88% uit protonen, dat betekent dat al deze neutronen en een gelijk aantal protonen (ook ongeveer 12% van het heelal) terecht komen in helium-4 – dat is omgerekend zo’n 25% van de totale massa, waardoor de overige 75% van het heelal bestaat uit protonen oftewel waterstofkernen.

credit: Ned Wright, via his excellent Cosmology tutorial at UCLA.

Nou, dat is dus waarom het heelal voor 75% uit waterstof bestaat en voor 25% uit helium. Aangezien iedere heliumkern ongeveer vier keer meer weegt dan een waterstofkern, komen we uit op 92% waterstof en 8% helium (qua aantal atoomkernen). Overigens heeft 13 miljard jaar aan geavanceerde kernfusie in sterren ervoor gezorgd dat 1% van het heelal bestaat uit atomen die zwaarder zijn dan waterstof en helium.Dat is hoe alle elementen in het heelal begonnen zijn! Alles wat je bent, alles wat je weet en ieder materiaal dat je hebt aangeraakt is uiteindelijk afkomstig van een oersoep van protonen en neutronen en was ooit niets meer dan een verzameling van waterstof- en heliumatomen. En toen gebeurde het universum…….en voila, hier zijn we dan met z’n allen 🙂

credit: NASA / JPL-Caltech / Spitzer / IRAC / N. Flagley and the MIPSGAL team.

Bron: Starts With a Bang.

Hubble ontdekt nieuwe maan bij Neptunus: S/2004 N 1

Credit: NASA, ESA, M. Showalter/SETI Institute

Met de Hubble ruimtetelescoop is men er in geslaagd om rond de blauwgroene planeet Neptunus een nieuwe maan te ontdekken, de 14e maan die om de gasreus cirkelt. De maan wordt S/2004 N 1 genoemd en z’n diameter is nog geen 20 km, hetgeen ‘m de kleinste van Neptunus’ manen maakt. Z’n lichtkracht is zo’n 100 miljoen keer zwakker dan wat mensen met het blote oog kunnen zien. Zelfs de Voyager 2 zag ‘m niet, toen deze sonde in 1989 vlak langs Neptunus en z’n manen scheerde. Maantje S/2004 N 1 werd 1 juli j.l. ontdekt door Mark Showalter en zijn medewerkers van het SETI Instituut in Mountain View, Californië. Het maantje bevindt zich op ruim 100.000 km van Neptunus, tussen de banen van de manen Larissa en Proteus. De omwentelingsperiode om Neptunus bedraagt slechts 23 uren. Op de afbeelding hierboven zie je S/ 2004 N 1, de vage stip in de cirkel. Je ziet ook enkele andere manen en enkele ringen van Neptunus. Eh… waarom heet die maan eigenlijk S/2004 N 1, terwijl ‘ie nu pas – in 2013 – ontdekt is? Da’s eenvoudig: Showalter z’n team kon na de ontdekking de maan terug traceren op meer dan 150 oude door Hubble gemaakte foto’s tot aan 2004 toe. Bron: NASA.

Hoe je koffie drinkt in de ruimte: met de ‘Zero Gravity Coffee Cup’

Credit: NASA

Wat is er nou gezelliger dan een lekker bakje koffie drinken? Maar ja, het drinken van vloeistoffen in de ruimte valt niet mee, dus kan je als astronaut zijnde wel genieten van zo’n lekker bakje? Onder de gewichtsloze toestand gaat een vloeistof niet uit een kopje of glas zoals wij dat op aarde gewend zijn. De natuurkundige Mark Weislogel (Portland State University) en z’n team hebben daar uitgebreid over zitten nadenken en zij kwamen als oplossing onder andere met een ‘Zero Gravity Coffee Cup‘. Bekijk de video maar eens over dit leuke onderwerp.

Bron: NASA.

Zwakkere zon zal niet tot een ijstijd leiden

Credit: NASA/SDO.

De recente terugval in de activiteit van de zon is niet de voorbode van een nieuwe mini-ijstijd. Het is simpelweg een dipje zoals dat ongeveer eens per eeuw optreedt. Tot die conclusie komen Amerikaanse zonnefysici.

De activiteit van de zon komt onder meer tot uiting in het aantal donkere vlekken dat op het zonneoppervlak te zien is. Zonnevlekken, die worden veroorzaakt door sterke magnetische velden, zijn gebieden op de zon die iets koeler zijn dan hun omgeving en daardoor minder helder zijn.

Tussen 1645 en 1715, een periode die werd gekenmerkt door lange, koude winters in Europa, waren vrijwel geen zonnevlekken te zien. En dat heeft geleid tot de speculatie dat een inactieve zon voor afkoeling van de aarde zorgt. Volgens sommige wetenschappers zou de huidige inactiviteit van de zon dus wel eens het begin van een nieuwe ‘mini-ijstijd’ kunnen zijn.

Vergelijking van het huidige, inderdaad zeer zwakke zonnemaximum met historische gegevens wijst daar echter niet op, aldus de zonnefysici. De recente inactiviteit van de zon lijkt eerder een herhaling te zijn van soortgelijke episoden aan het begin van de 19de en 20ste eeuw. En die ‘dipjes’ duurden niet langer dan één á  twee zonnecycli – een jaar of twintig dus. Als deze interpretatie klopt, zal naar verwachting ook het volgende zonnemaximum, dat rond 2024 moet plaatsvinden, ondermaats zijn. Daarna zou de zon weer actiever moeten worden. Bron: Astronomie.nl.

Amerikanen willen een nationaal park op de maan

Credit: NASA

Alle nationale parken van de Verenigde Staten bezoeken, kan binnenkort wel eens bijzonder moeilijk worden. Twee Democratische Congresleden willen namelijk een nationaal park maken op de maan om onder andere de landingssites van de Apollo-missies te beschermen. Dat staat te lezen in de Amerikaanse krant The Hill.Het Apollo Lunar Landing Sites National Historical Park zou worden opgericht op de plaats waar in 1969 Apollo 11 landde. Democraten Donna Edwards (Maryland) en Eddie Bernice Johnson (Texas) willen voorkomen dat voorwerpen die er werden achtergelaten tussen 1969 en 1972 beschadigd worden door ‘ruimtetoeristen’.”Het Apollo-maanprogramma is een van de grootste verwezenlijkingen uit de Amerikaanse geschiedenis”, staat te lezen in hun wetsvoorstel. “Nu commerciële bedrijven de mogelijkheid krijgen om op de maan te landen, is het nodig om de sites te beschermen voor het nageslacht.”Een deel van de maan afbakenen om er een nationaal park van te maken, is in strijd met de huidige internationale afspraken. Dat zou namelijk impliceren dat de maan aan de VS toebehoort. Het Ruimteverdrag uit 1966, getekend en geratificeerd door de VS, bepaalt dat geen enkel land een hemellichaam of een deel daarvan kan opeisen. Het meer gedetailleerde Maanverdrag uit 1979 werd wel niet getekend door de Amerikanen.De Congresleden omzeilen de internationale verdragen door voor te stellen dat het nationale park enkel zou bestaan uit spullen die Apollo-astronauten achtergelaten hebben op hun missies tussen 1969 en 1972. “Amerikaanse schepen worden meestal aanzien als deel van het Amerikaanse grondgebied. Dus waarom zou hetzelfde niet gelden voor ruimtetuigen?”Het wetsvoorstel moet nu eerst door het congres geraken. Als de wet er komt, dan moeten de NASA en het Amerikaans ministerie van Binnenlandse Zaken het park binnen het jaar oprichten. De twee Democraten hopen dat UNESCO het park daarna erkent tot Werelderfgoed. Bron: Belga/ANP.

Kleurrijke afscheidstournee voor de overleden GALEX-telescoop


In 2008 nam de Galex dit beeld van het Zuidelijke Windmolenstelsel waar. Het is een sterrenstelsel dat deels een spiraal-, deels een balkspiraalstelsel is. Messier 83 is een klein broertje van het Melkwegstelsel. Credit: NASA/JPL-Caltech/ESA/Harvard-Smithsonian CfA

Zoals we enkele weken geleden al gemeld hebben, is het doek gevallen voor de GALEX-ruimtetelescoop. NASA heeft de telescoop nu geëerd met een serie van best of foto’s – niet de minste, moet ik zeggen!NASA’s Galaxy Evolution Explorer werd in april 2003 gelanceerd en de ruimtetelescoop heeft in die tien jaar tijd een catalogus van honderden miljoenen sterrenstelsels geproduceerd. Bekijk hier een kleine selectie van deze spectaculaire beelden.De missie van de GALEX zou in eerste instantie maar tweeënhalf jaar duren. Het doel van de missie was om grote delen van de hemel op ultraviolette golflengten in kaart te brengen, om zo een beter beeld te krijgen van de evolutie van sterrenstelsels. Dat gebeurde door  sterrenstelsels op uiteenlopende afstanden – tot 10 miljard lichtjaar – te bestuderen.GALEX maakte samen met z’n “broertjes en zusjes” Hubble, Spitzer en Chandra deel uit van het GOALS-project (Great Observatories All-sky LIRG Survey). In dat project worden sterrenstelsels op alle denkbare golflengten bestudeerd door ruimtetelescopen. De totale missie heeft NASA meer dan 150 miljoen dollar gekost. Bron: NASA

Dit beeld van het Karrewielstelsel laat een regenboog van golflengtes zien. Deze werden waargenomen door NASA’s Galex (blauw), Hubble (groen), Spitzer (rood) en Chandra (paars). Credit: NASA/JPL-Caltech/ESA/Harvard-Smithsonian CfA

Deze afbeelding van Messier 81 werd samengesteld uit beelden van NASA’s Spitzer, Hubble en Galex. Messier 81 is een spiraalvormig sterrenstelsel, het is het helderste lid van een groep melkwegstelsels die bekend staan als de M81-groep. Credit: NASA/JPL-Caltech/ESA/Harvard-Smithsonian CfA

Dit is NGC 6744. Dit sterrenstelsel ligt 30 miljoen lichtjaar van de Aarde verwijderd en is een van de meest op de Melkweg lijkende sterrenstelsels. Deze afbeelding toont de enorme omvang van de pluizige spiraalvormige armen van het sterrenstelsel. Ook is te zien dat zelfs in de buitengebieden van het stelsel stervorming optreedt. Credit: NASA/JPL-Caltech/ESA/Harvard-Smithsonian CfA

Een team van astronomen uit de Verenigde Staten, Chili en Brazilië heeft op basis van archiefgegevens van Galex deze afbeelding van balkspiraalstelsel NGC 6872. Het is het grootst bekende spiraalstelsel dat door Galex ontdekt is. Het stelsel heeft een spanwijdte van 522.000 lichtjaar. Credit: NASA/JPL-Caltech/ESA/Harvard-Smithsonian CfA

In december 2003 maakte de Galex dit beeld van NGC 55, een spiraalvormig sterrenstelsel van het Magelhaanse type op een afstand van 5,4 miljoen lichtjaar van onze Melkweg. Credit: NASA/JPL-Caltech/ESA/Harvard-Smithsonian CfA

Een van de spiegeltelescopen van het astronomisch observatorium Las Campanas in Chili maakte deze waarneming van sterrenstelsel NGC 300, samen met waarnemingen van Galex (de blauwe kleuren op de foto). NGC 300 is een spiraalvormig sterrenstelsel in het sterrenbeeld Beeldhouwer. Credit: NASA/JPL-Caltech/ESA/Harvard-Smithsonian CfA

Deeltjes met massa ervaren de ruimtetijd allemaal op een andere manier

Credit: FUW.

Volgens een Poolse groep natuurkundigen onder leiding van Jerzy Lewandowski (Universiteit van Warschau) heeft onderzoek aan de zwaartekracht tijdens de oerknal laten zien dat elementaire deeltjes die massa bezitten allemaal op hun eigen manier de ruimtetijd ervaren. Dat onderzoek deed de groep in een poging om te laten zien hoe de ruimtetijd in die oerknal ontstaan is vanuit een eerdere fase, waarin de zwaartekracht de allesoverheersende factor was. Om die zwaartekracht te kunnen beschrijven hebben Lewandowski – familie van de voertballer? Wie ‘t weet mag het zeggen – en zijn makkers een model van de quantum zwaartekracht gebruikt dat loop quantum gravity (LQG) heet en dat er van uit gaat dat de ruimtetijd bestaat uit hele kleine vezels, die in lussen met elkaar verweven zijn (zie de afbeelding rechtsonder). Eén vierkante centimeter zou bestaan uit een miljoen biljoen biljoen biljoen biljoen biljoen van die fibers, da’s een 1 gevolgd door maar liefst 66 nullen! Hoe quantum zwaartekracht in interactie met massa kan leiden tot het ontstaan van de (klassieke) ruimtetijd zie je in de figuur links: het proces is vergelijkbaar met ijskristallen, die zich vormen door het bevriezen van vloeibaar water.

Credit: Linfoxman – Foxman (Public Domain) via Commons Wikimedia.

Drie jaar geleden kwam de groep met een wiskundig model van de LQG, waarin quantum zwaartekracht wordt gecombineerd met de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Op basis van dat model is men weer verder gaan rekenen en de uitkomst is dat voor deeltjes zonder massa, zoals fotonen, de ruimtetijd isotroop is, d.w.z. dat de eigenschappen naar alle richtingen toe exact hetzelfde zijn, maar dat het voor deeltjes met massa niet isotroop is! Bij deeltjes met massa blijkt er een voorkeursrichting in de ruimtetijd te zijn en wel de richting waarin het deeltje beweegt. Dat maakt de ruimtetijd anisotroop en derhalve ervaren alle deeltjes met massa de ruimtetijd op een andere manier. Dit betekent niet dat het heelal in z’n geheel ook een voorkeursrichting heeft. Hoe elementaire deeltjes met massa de ruimtetijd ‘ervaren’ staat los van hoe ze zich in de ruimtetijd gedragen – daarin zullen ze zich allemaal net als hun gelijke ‘soortgenoten’ hetzelfde gedragen. Bron: Science Daily.’