de samenvatting (word-doc)

Universiteit Derde Leeftijd Leuven – Cyclus ‘De Wetenschap van de Kosmos’
Christoffel Waelkens
III. De Chemie van het Interstellaire Medium
Moleculen in het heelal
Tusen de sterren is er veel plaats. Maar helemaal leeg is die plaats niet. Ze wordt gevoed
door de materie uitgestoten door sterren die vergaan. Maar ze was er ook vóór sterren
bestonden, want het is in de gas-en-stofwolken in onze melkweg dat sterren geboren
worden.
Het interstellaire midden is ijl, maar ook grillig. Op sommige plaatsen zijn de dichtheden
veel groter dan elders. De ijlste fasen komen overeen met dichtheden van de orde van
slechts enkele atomen per kubieke cm, de dichtste fasen bevatten er een miljoen maal
meer; maar ook dan is de gemiddelde dichtheid ordes van grootte kleiner dan hetgeen wij
onder de stolpen in onze fysica-klassen produceren als “vacuum”.
In het interstellaire midden is het koud, want er zijn geen sterren die het opwarmen.
Koud genoeg zodat atomen zich kunnen verenigen tot moleculen. Er is dus veel plaats
voor chemie in het heelal. Alleen lijkt die chemie erg onwaarschijnlijk: de kans dat twee
atomen elkaar ontmoeten, is gering, en als ze dat dan doen, liggen de basiswetten van de
fysica dwars om moleculen te maken. Maar toch bestaan er veel interstellaire moleculen!
Het is merkwaardig dat men pas in 1962 begrepen heeft waarom.
De chemie in het koude interstellaire midden is dezelfde als bij ons, maar de
omstandigheden zijn anders: de materie bestaat er vooral uit waterstof en helium, de
chemisch actieve atomen zijn ferm in de minderheid; de dichtheid is ontzettend laag; het
is er koud, maar tegelijk is er een belangrijke invloed van hoog-energetische straling van
sterren; en naast het gas is er ook (sterren)stof dat een beslissende invloed heeft.
Astrochemie kan verklaren hoe moleculen ontstaan in dichte en koude gebieden tussen
de sterren, en meet in welke mate ze voorkomen. Een 140-tal verschillende moleculen
zijn er al bekend, sommige heel complex. Een relevant feit is dat de meeste complexe
moleculen koolstofatomen bevatten. Koolstof is abondant in de meest geavanceerde
chemie op Aarde, het is niet anders tussen de sterren. Gewoon omdat koolstof van de
relatief veel voorkomende vrij beweeglijke elementen hetgene is dat het meeste
verbeelding heeft.
Chemie en stervorming
Sterren worden geboren in de dichtste wolken in de melkweg, daar waar de gravitatie het
uiteindelijk haalt op de drukkrachten die wolken uiteen drijven. In dat hele proces speelt
chemie een belangrijke rol. In het proces zelf, want de infrarode straling die moleculen
uitstralen draagt ertoe bij om de wolken af te koelen en zo het proces van ineenstorting
te versnellen. Maar ze helpt ook voor ons begrijpen van die processen: het is dank zij de
straling die we ontvangen van de moleculen dat we leren wat er zich diep in de duistere
stervormingsgebieden afspeelt.
We weten al lang waar sterren geboren worden, maar de ontrafeling van hoe het juist
gebeurt, is recent. Omdat processen van ijle turbulente wolken moeilijk te vatten zijn, en
ook omdat we pas onlangs toegang hebben gekregen tot het infrarode gebied van het
spectrum waar die processen zich tonen. Vandaag toont de ESA-satelliet Herschel ons
een verrassend beeld van het koude interstellaire midden, waar alles veel meer
aaneenhangt dan we vroeger dachten. Het wordt meer dan voorheen duidelijk waar en
in welke vormen sterrengroepen geboren worden. In de jaren die komen zal de nieuwe
grote radiotelescoop ALMA daar nog veel meer over vertellen.
Van koele wolken tot sterren
Waarnemingen (en tot op zekere hoogte ook theoretische modellen) tonen aan dat de
grote wolken in het interstellaire midden bij hun gravitationele ineenstorting uiteenvallen
in kleinere wolken, waaruit dan individuele sterren ontstaan. Deze zjn niet allemaal even
groot, maar de fysische constanten spannen samen om ervoor te zorgen dat sterren zoals
onze zon vrij typisch zijn.
Het samentrekken van een wolk tot een ster is een complex proces, waarbij tegengestelde
belangen optreden. De gravitatie trekt aan, maar soms te snel, en dan kan de hitte die
vrijkomt door de ineenstorting een reactie op gang brengen die weer massa uitstoot.
Bovendien gebeurt dit allemaal niet continu, maar eerder in horten en stoten. De balans
tussen de verschillende aspecten hangt ook af van de totale massa van de ster die zich
aan het vormen is.
Een heel belangrijk aspect in het verhaal is de rotatie. Een basiswet van de natuurkunde
zegt dat de hoeveelheid rotatie-energie in een massa constant is: als de massa samentrekt
en dus minder volume inneemt, zal de rotatie versnellen. Vermits vormende sterren over
meerdere ordes van grootte samentrekken, is dit fenomeen erg belangrijk voor hen: een
wolk moet wel heel erg stilstaan om niet tot een snel roterende ster aanleiding te geven.
Materie die invalt langs de rotatie-as van een wolk, geraakt wel op de ster, maar als ze
zich dichter bij het evenaarsvlak bevindt, l;ukt het niet. Men kan dus verwachten dat
jonge sterren omgeven zijn met torussen of schijven van koeler materiaal dat omheen de
ster draait in het evenaarsvlak.
En dat is inderdaad wat men ziet. Jonge sterren worden typisch omgeven door
roterende schijven van koeler materiaal. Naarmate de sterren ouder worden, verdwijnt
dat materiaal schijnbaar. Inderdaad valt een deel ervan uiteindelijk toch op de ster;
tegelijk blaast de straling van de groeiende ster het omliggende gas ook weg. Maar het is
ook mogelijk dat een deel van de circum-stellaire schijf maar schijnbaar verdwijnt, omdat
ze opgestapeld wordt in kleinere, moeilijker waarneembare, objecten die rond de ster
blijven draaien. Planeten bijvoorbeeld.
Het verstaan van stervorming en van de circum-stellaire schijven die ermee gepaard gaan,
brengt ons tot een merkwaardige analogie met ons eigen zonnestelsel. Al onze planeten
bewegen nagenoeg in dezelfde schijf omheen de zon. Zou dat geen vrij normaal
verschijnsel kunnen zijn dat het resultaat is van de typische evolutie van elke ster?
Antwoord volgende week!