HFDST 10 de zon - Alles over Sterrenkunde

gloeiende gasbol De zon bestaat uit gloeiend heet gas, dat soms
met grote kracht de ruimte in wordt geblazen.
Kijktip
Kijk nooit rechtstreeks in de zon.
Het felle zonlicht kan
blijvende schade aan je
netvlies veroorzaken.
Gebruik altijd een deugdelijk filter.
HFDST 10
de zon
122
aarde, maan en zon
deel 3
hfdst 10 de zon
123
Kennismaking met de zon
De zon ontmaskerd
e zon is verreweg het belangrijkste hemellichaam.
Dankzij het licht en de warmte van de zon is er leven
op aarde mogelijk. Geen wonder dat de zon in vrijwel
alle oude culturen geassocieerd werd met een godheid (Ra bij
de Egyptenaren, Apollo bij de Grieken, Huitzilopochtli bij de
Azteken). Voor sterrenkundigen is de zon echter gewoon de
dichtstbijzijnde ster. Van alle triljoenen sterren in het heelal
is de zon de enige die gedetailleerd bestudeerd kan worden.
De zon is in feite een grote bol van gloeiend heet gas, op 150
miljoen kilometer afstand van de aarde. De middellijn bedraagt 1.392.000 kilometer. Het volume is 1,3 miljoen maal
zo groot als het volume van de aarde; de massa is 329.000
maal de massa van de aarde. In het centrum bedraagt de
temperatuur ongeveer 15 miljoen °C; aan het oppervlak
5700 °C. De zon bestaat voor 75 procent uit waterstofgas,
voor 23 procent uit helium en voor slechts 2 procent uit
andere, zwaardere elementen.
De zon is een vrij gemiddeld sterretje. Hoewel het aantal
zwakke dwergsterren in het heelal veel groter is dan het
aantal heldere reuzensterren, zijn er toch talloze sterren die
veel groter, heter en helderder zijn dan de zon. Als de zon op
een afstand van vijftig lichtjaar zou staan, zou hij al niet meer
met het blote oog zichtbaar zijn.
In tegenstelling tot veel andere sterren is de zon gelukkig erg
n de loop van de zestiende eeuw werd voor het eerst
serieus gespeeld met de gedachte dat de zon een ster is,
en alle andere sterren aan de hemel dus ver verwijderde
zonnen zijn, mogelijk vergezeld door planeten. De afstand
tot de zon was toen nog steeds niet goed bekend: volgens
Anaxagoras (vijfde eeuw v.Chr.) bedroeg die 6500 kilometer;
volgens Ptolemaeus (rond 150 n.Chr.) 8 miljoen kilometer, en
volgens Copernicus (1543) ca. 3,2 miljoen kilometer.
Pas na de uitvinding van de telescoop werd uitgebreid onderzoek gedaan aan zonnevlekken (onder anderen door Galileo
Galilei en Christoph Scheiner), en kon de rotatieperiode van
de zon bepaald worden. Over de ware aard van de zon was
toen nog steeds niets bekend; op sommige gravures uit die
tijd zijn de zonnevlekken weergegeven als bergen, en Christiaan Huygens meende eind zeventiende eeuw nog dat de zon
vloeibaar was.
In 1848 rekende de Duitse natuurkundige Julius Mayer voor
dat een hete gasbol als de zon in 5000 jaar zou afkoelen wanneer er geen energieproductie zou plaatsvinden. Zou de zon
uit steenkool bestaan, dan zou de levensduur slechts 4600
jaar bedragen. Mayer stelde daarom voor dat de zon energie
zou ontlenen aan de inslagen van meteorieten.
Heinrich von Helmholtz en William Thompson (Lord Kelvin)
stelden eind negentiende eeuw de contractietheorie op: door
D
stabiel: de helderheid verandert nauwelijks. De leeftijd van
de zon is 4,6 miljard jaar; hij heeft zeker nog 5 à 6 miljard
jaar voor de boeg.
De zon in cijfers
afstand tot de aarde (gemiddeld)
149.597.871 km
gemiddelde periheliumafstand
147.104.000 km
gemiddelde apheliumafstand
152.103.000 km
rotatieperiode (t.o.v. de sterren)
25,380
rotatieperiode (gezien vanaf de
aarde)
27,275d
middellijn
1.392.000 km
gemiddelde schijnbare middellijn
31’ 05” (ongeveer 1/2°)
massa (aarde = 1)
328.946
volume (aarde = 1)
1.303.600
oppervlak (aarde = 1)
11.908
dichtheid
1,409 g/cm3
lichtkracht
3,86 x 1026 watt
ontsnappingssnelheid
617,5 km/s
zwaartekracht aan het oppervlak
(aarde =1)
27,9
d
+ + + Als de zon nu op zou houden met schijnen, zouden we dat pas over 8,3 minuten merken. + + + Het element helium werd
I
rook en vuur
Zeventiendeeeuwse
voorstelling
van de zon, met
bergen, vulkanen,
brandhaarden en
rookpluimen.
elk jaar enkele tientallen meters in te krimpen, zou voldoende energie geproduceerd worden om de zon 15 miljoen jaar
lang te laten schijnen. Ook dat was echter niet genoeg: geologen hadden inmiddels ontdekt dat er al een paar miljard jaar
lang leven op aarde voorkomt.
Pas in 1938 werd de ware energiebron van de zon ontdekt
door de Duits-Amerikaanse natuurkundige Hans Bethe: bij
kernfusiereacties in het inwendige wordt waterstof omgezet
in helium, waarbij een klein deel van de massa wordt omgezet in energie.
voor het eerst ontdekt in de zon en is genoemd naar het Griekse woord voor zon (helios). + + +
schijn bedriegt Op grote afstand ziet de zon er rustig en vredig uit.
magnetische lus Protuberansen zijn uitbarstingen van elektrisch geladen
In werkelijkheid is het inwendige een helse kernreactor.
deeltjes, die langs lusvormige magnetische veldlijnen bewegen.
Kijktip
De chromosfeer
dankt zijn naam aan
de opvallende rode
kleur. Die is aan het
begin en einde van een
totale zonsverduistering (zie pag. 106)
goed te zien.
aarde, maan en zon
124
deel 3
Het inwendige van de zon
E
en neutraal atoom bestaat uit een elektrisch positief geladen kern waaromheen een of meer negatief
geladen elektronen bewegen. De kern bestaat weer
uit positief geladen protonen en neutrale neutronen (samen
worden zij kerndeeltjes of nucleonen genoemd). Waterstof is
het eenvoudigste en lichtste atoom: de kern bestaat uit één
enkel proton; daaromheen beweegt één elektron. Helium
heeft een kern van twee protonen en twee neutronen, die
omgeven wordt door twee elektronen. Kernfusie is het proces
waarbij atoomkernen zo sterk op elkaar geperst worden dat
ze samensmelten (fuseren) tot zwaardere kernen.
In het hete inwendige van de zon, waar een temperatuur
van 15 miljoen graden en een druk van drie miljard atmosfeer heerst, worden waterstofkernen (protonen) zo sterk op
elkaar geperst dat ze fuseren tot zwaardere atoomkernen.
Dat gebeurt via een aantal tussenstappen waarbij sommige
protonen veranderen in neutronen. Het netto resultaat van
die fusiereacties is dat vier waterstofkernen (vier protonen)
omgezet worden in één heliumkern.
De massa van vier waterstofkernen is echter iets groter dan
de massa van één heliumkern. Bij de kernfusiereactie is dus
een klein beetje massa verloren gegaan; die is rechtstreeks
omgezet in stralingsenergie. In het binnenste van de zon
wordt per seconde maar liefst 570 miljoen ton waterstof
125
fotosfeer
chromosfeer
Van binnen naar buiten
vier
protonen
kosmische alchemie
In het binnenste
van de zon wordt
waterstof omgezet in
helium. Daarbij komt
veel energie vrij.
kern­
fusie
straling
hfdst 10 de zon
twee
positronen
heliumkern
twee
neutrino’s
omgezet in helium. Zeven promille daarvan (vier miljoen ton
per seconde) wordt omgezet in energierijke gammastraling.
De zon wordt dus elke seconde vier miljoen ton lichter.
+ + + Alleen de elektrisch neutrale neutrino’s die bij de fusiereactie in de kern van de zon ontstaan, vliegen met de lichtsnel-
Alleen in de kern van de zon, die een middellijn van ongeveer
250.000 kilometer heeft, zijn druk en temperatuur hoog
genoeg om kernfusie mogelijk te maken. De gammastraling
die hier wordt opgewekt, kan echter niet vrij naar buiten
bewegen. Het hete zonnegas heeft zo’n hoge dichtheid dat
fotonen voortdurend door atomen geabsorbeerd worden en
vervolgens in een willekeurige andere richting weer worden
uitgestraald. Slechts heel geleidelijk, in de loop van een paar
honderdduizend jaar, dringt de straling door naar de wat
koelere buitenlagen, waarbij de energie van de fotonen geleidelijk daalt. Dit gebied van de zon, dat de hete kern omgeeft,
wordt de stralingszone genoemd.
Buiten de stralingszone ligt de convectiezone, waarin warmtetransport voornamelijk plaatsvindt via gasbewegingen. De
convectiezone reikt tot een diepte van ca. 200.000 kilometer,
waar de gastemperatuur ongeveer 2.000.000 °C bedraagt.
In deze zone wordt ook het sterke magnetische veld van de
zon opgewekt. Overigens is het zonnegas hier nog steeds een
zogeheten plasma, wat wil zeggen dat het niet uit neutrale
atomen bestaat, maar uit losse positief geladen atoomkernen en negatief geladen elektronen.
Het ‘oppervlak’ van de zon, waar de energie uit het inwendige uiteindelijk wordt uitgestraald, heet de fotosfeer. Die
heeft een dikte van ca. 100 kilometer en een temperatuur
van 5700 °C. De fotosfeer bestaat uit granules: kolkende
heid ongehinderd naar buiten. + + +
stralingszone
kern
convectiezone
gelaagde opbouw De hete kern van de zon wordt omgeven door
dikke gasmantels waarin energie getransporteerd wordt via
straling en convectie.
gasbellen met afmetingen van honderden kilometers. In de
fotosfeer ontstaan ook de donkere, koelere zonnevlekken (zie
pag. 127) en de heldere fakkelvelden.
Aan het zonsoppervlak komen regelmatig krachtige uitbarstingen voor: de zogeheten protuberansen. Die bestaan uit
heet, ijl gas dat langs lusvormige magnetische veldlijnen van
de zon beweegt. Van een echt oppervlak is overigens geen
sprake: ook de fotosfeer is gasvormig. Boven de fotosfeer ligt
de veel ijlere (en transparante) chromosfeer, met een dikte
van ca. 1500 kilometer.