Naar de sterren - Marysa van den Berg

Wat als…
…er nabij de aarde een kosmische explosie
plaatsvindt?
We vinden de wereld waarin we leven volstrekt
vanzelfsprekend. Maar vul één feit ander in, en hij ziet er
plots volkomen anders uit. In deze serie kleuren we elke
aflevering zo’n ‘wat als…’-scenario in.
Tekst: Marysa van den Berg
Het leek een doodnormale dag in juni. Mensen werkten, winkelden, keken tv.
Plotseling verscheen een licht zo fel als de volle maan midden in de blauwe hemel,
iedereen verblindend die er rechtstreeks naar keek. Na een paar minuten doofde het
vreemde verschijnsel. Onder sterrenkundigen is er dan al alarm geslagen.
Astronomische onderzoekssatellieten vingen een ongelofelijke piek in gamma- en
röntgenstraling op, alvorens er de brui aan te geven door een elektromagnetische
puls die eveneens het elektriciteitsnet op de aarde platlegt. Een dodelijke dosis
röntgenstraling doodde de onbeschermde astronauten in het ruimtestation ISS. Maar
dat bleek slechts een voorproefje van wat komen ging.
Enkele uren later volgde een stroom van deeltjes die op de dampkring botsten. De
deeltjes veroorzaakten een wereldwijd noorderlicht. Maar terwijl mensen de
nachthemel bewonderden, kregen ze een onzichtbare douche van dodelijke
kosmische straling over zich heen. De gammaflits zelf doofde snel uit in de
atmosfeer, maar niet voor het de ozonlaag voor de helft vernietigde, waarna uvstraling ongehinderd het aardoppervlak kon schroeien. Binnen enkele dagen
omhulde een dikke roodbruine smog de aarde, die het zonlicht blokkeerde en
daarmee een nieuwe ijstijd inluidde. Het doodsvonnis van al het leven op aarde was
getekend. En dat dankzij een kosmische explosie op een biljard kilometer afstand.
Een explosie in het heelal die de aarde verblindt, elektrocuteert, verschroeit, in een
ijstijd dompelt en zo een massa-uitsterving veroorzaakt? Het zou zomaar kunnen.
Zware sterren gaan aan het eind van hun leven in supernova. Daarbij zenden ze een
flinke hoeveelheid gammastraling uit. Bij nog zwaardere sterren volgt een krachtiger
explosie, waarbij een zwart gat ontstaat. De vrijgekomen energie wordt dan via de
polen van de stervende ster in de vorm van een gammaflits uitgezonden. Ook het
botsen van twee neutronensterren of zwarte gaten kan zo’n flits veroorzaken. De
aarde kan toevallig in het pad liggen van zo’n explosieve flits. Het gebeurde al eens
eind achtste eeuw, hoewel zonder echte gevolgen. Maar volgens sommige
wetenschappers was het 450 miljoen jaar geleden wél goed raak. De massauitsterving die toen plaatsvond en waarbij 86 procent van de destijds levende soorten
verdween, is volgens hen (deels) toe te schrijven aan zo’n kosmische explosie. Wat
als zoiets nu opnieuw gebeurt?
Rauw op je dak
Stel, we nemen een gammaflits van 100 lichtjaar afstand die 10 seconden duurt.
Aangezien die tijd kort is ten opzichte van de rotatieduur van de aarde, wordt maar
een klein gedeelte van de aarde direct gebombardeerd. In die gebieden is het alsof
er een waterstofbom van 1 megaton op elke vierkante kilometer aardoppervlak wordt
gedropt. Dat komt rauw op je dak. Die hoeveelheid energie is waarschijnlijk niet
genoeg om de oceanen te doen koken of de atmosfeer volledig te vernietigen, maar
de gevolgen zouden wereldwijd niet te overzien zijn.
Op te beginnen is er de directe impact van de verre explosie. Een ster die een
supernova wordt, spuwt enkele quadriljarden tonnen gas uit. De planeten die rondom
die ster draaien zijn dan ook ten dode opgeschreven. De kracht en hitte van het gas
steekt het oppervlak in brand, steriliseert al het mogelijke leven en rukt elk beetje
lucht of water weg. Doordat de zwaartekracht van de instortende ster grotendeels
wegvalt, worden de planeten ook vaak uit hun baan geschoten. Vervolgens zwerven
ze als rogue planets moederziel alleen door het heelal. Zo’n lot wacht de aarde niet:
de zon komt niet als supernova aan zijn einde.
Toch kan een deel van de uitgestorte materie ook ons bereiken. Laten we uitgaan
van het ergste scenario: een supernova op 10 lichtjaar afstand waarvan de ster 20
zonmassa’s aan troep uitstoot. In dit geval is de hoeveelheid die de aarde bereikt
zo’n 40 miljoen ton. Dat lijkt misschien heel wat, maar dat is het eigenlijk niet. Die
hoeveelheid wordt namelijk verdeeld over het gehele aardoppervlak, wat maakt dat
er ongeveer 300 gram per vierkante kilometer valt. Zeg maar enkele regendruppels
in je tuin. Niet iets wat je zou merken.
Verblindend licht
Waar je niet aan kunt ontkomen, zijn de stralen die ons bereiken. “Het eerste wat we
zouden merken wanneer een gammaflits de aarde raakt, is een felle lichtflits aan de
hemel. Behalve uit zichtbaar licht bestaat die ook uit een flinke hoeveelheid
ultraviolet licht, dat mensen en dieren ogenblikkelijk blind maakt wanneer ze op dat
moment naar de lucht kijken”, zegt astrofysicus Brian Thomas van de Washburnuniversiteit (VS). Wil zo’n verblindend licht zo fel zijn als de zon, dan moet de
explosie op minder dan 1 lichtjaar plaatsvonden. Er is geen ster (afgezien van de
zon) die zo dichtbij staat. Maar ook op enkele honderden lichtjaar zal er nog een
duidelijk lichtbaken te zien zijn. Toch verwacht Thomas niet dat zoiets het dagnachtritme van mens en dier in de war schopt. “De directe lichtflits is daarvoor te kort.
Maar het nagloeien van de gammaflits duurt langer en daar kan blauw licht bij zitten
dat uiteindelijk misschien wél dag-nachtcyclussen beïnvloedt. Ook dan zou de
explosie trouwens wel erg dichtbij moeten plaatsvinden.”
Maar er is meer dan licht dat ons raakt wanneer de kosmische explosie bij de aarde
arriveert. “Zoiets krachtigs produceert een bom van straling van elke golflengte, van
radio tot röntgen en gamma”, zegt astrobioloog Douglas Galante van de Universiteit
van São Paulo (Brazilië). Een supernova op 3000 lichtjaar levert een dodelijke dosis
röntgenstraling op voor astronauten in het ISS. Zij zijn de eerste slachtoffers die
vallen als gevolg van de kosmische explosie.
Gammabom
De gamma- en röntgenstraling bereiken het aardoppervlak niet. In plaats daarvan
verstoren ze het aardmagnetisch veld flink. “Een gigantische elektromagnetische
puls brandt alle satellieten en elektronica door en legt het elektriciteitsnet plat”, vertelt
Galante. En terwijl wij letterlijk in het duister tasten over de oorzaak, geven de
fotonen van de straling massaal hun energie af in de bovenste laag van de
dampkring. “Dat rukt elektronen van hun atomen af, een proces dat ionisatie heet”,
legt Galante uit. “Deze heftige ionisatie beschadigt molecuulstructuren en zorgt
ervoor dat ze uiteenvallen en formeren tot nieuwe deeltjes.”
Zo rukt de gammabom stikstof (waaruit 80 procent van de lucht bestaat) uiteen in
losse stikstofatomen. Die reageren met zuurstof tot stikstofoxide en stikstofdioxide.
Die stikstofoxides vernietigen op hun beurt weer de ozonlaag die ons beschermt
tegen de uv-straling van de zon. Een computermodel van Thomas en collega’s laat
zien dat een gamma-explosie van 10 seconden op 6000 lichtjaar afstand de
ozonlaag met de helft degradeert. Dat is vergelijkbaar met het ergste ozongat van de
afgelopen jaren, maar dan wereldwijd.
Het gevolg is dat de aarde de speelbal wordt van een dodelijke dosis uv-straling, wat
jaren kan aanhouden, totdat de ozonlaag weer voldoende hersteld is. De
hoeveelheid uvb-straling, de ergste soort uv-straling, wordt in die periode het
drievoudige van wat het nu is. Dat geeft niet alleen flink wat zonnebrand, maar ook
een gigantische toename van huidkanker – 10 procent meer uvb geeft al een 20
procent toename van kwaadaardige huidtumoren – en misvormingen bij geboortes.
Ook gewassen zullen veel schade ondervinden, met voedseltekorten en
hongersnoden tot gevolg, voorspelt Thomas.
Ook veel plant- en diersoorten ondervinden schade van de uv-straling, die dan tot 75
meter diep in de zee kan doordringen. Diepzeedieren zullen geen last hebben, maar
de aan de oppervlakte levende plankton, een van de belangrijkste
zuurstofleveranciers op aarde, sterft massaal af. Dat leidt niet alleen tot het uit balans
slaan van de verhouding tussen koolstofdioxide en zuurstof in de lucht, maar laat ook
de voedselketen in zee ineenstorten, met massa-uitstervingsgolven tot gevolg.
Wereldwijde koeling
Stikstofoxides doen meer dan het vernietigen van de ozonlaag. Ze vormen eveneens
een dikke roodbruine smog die de aarde omhult. Die wolken zijn niet alleen giftig
voor mens en dier, maar blokkeren ook het zonlicht en haar warmte. Bij de evenaar
is dit verlies aan zonlicht beperkt, tot 1 procent, maar vlakbij de poolgebieden kan het
door de noordwaarts gerichte luchtstroming al snel tot 30 procent oplopen. Het
gevolg is een wereldwijde koeling. “Het is lastig te zeggen in hoeverre de gigantische
toename in stikstofoxides tot koeling leidt, of zelfs tot een ‘sneeuwbalaarde’-effect,
maar met zo’n chemische onbalans van de atmosfeer zal me dat niet verbazen”, stelt
Galante. Overigens wordt het koelende effect van de stikstofoxidewolken misschien
deels tenietgedaan doordat de wolken ook zonlicht opnemen, waardoor de
stratosfeer (de tweede luchtlaag vanaf het aardoppervlak) wat opwarmt.
De stikstofoxidegassen blijven ozon vernietigen totdat ze, gemixt met waterdamp, uit
de lucht vallen als regendruppels. Dit maakt sloten, rivieren en meren jarenlang
zuurder dan normaal. Toch hoeft dit volgens onderzoek van Thomas geen negatief
effect te hebben op de planten en dieren die daar leven; eerder het
tegenovergestelde. De opgeloste nitraten kunnen dienen als natuurlijke bemesting
voor sommige planten en algen.
Kosmische douche
De vernietiging van de ozonlaag en de aarde in een nieuwe ijstijd doen belanden zijn
niet de enige effecten van een gammaflits. Naast stikstofoxides ontstaan ook veel
sub-atomaire deeltjes. Die vliegen na hun ontstaan met hoge snelheid richting het
aardoppervlak en laten een douche van kosmische straling over de aarde heen
komen. “Dat creëert een fantastisch noorderlicht over de gehele aardbol, maar die
straling is dodelijk voor ons”, zegt Galante. Het grootste gevaar vormen muonen. Dit
zijn deeltjes die ontstaan bij de interactie tussen protonen uit de ruimte en
luchtdeeltjes van de aarde. Per seconde vliegt er wel een muon van de kosmische
achtergrondstraling door je heen zonder dat het schadelijk is. Maar kort na een
nabije supernova of gammaflits neemt dit gigantisch toe: tot wel 45 miljard muonen
per vierkante centimeter ‘regenen' in een tijdsbestek van uren en dagen op ons neer.
Galante: “Ze veroorzaken dezelfde DNA-schade als uv-licht, maar dringen veel
dieper door in zeeën en zelfs in rotsbodems, waardoor ze een serieuze bedreiging
vormen voor het leven op aarde.”
Geen wonder dat een kosmische explosie in staat wordt geacht heel wat levens te
eisen wanneer het al te dichtbij plaatsvindt. Kan de aarde van al dat onheil nog wel
herstellen? Galante denkt van wel. “Door bewijzen uit de geologie en de astronomie
te combineren, weten we dat de aarde al eerder supernova’s van dichtbij heeft
meegemaakt. De atmosfeer heeft chemische veranderen ondergaan, planten en
dieren hebben geleden, maar het leven zette zich voort. En dat zullen ze ook doen bij
toekomstige kosmische explosies. Of er moet zo’n catastrofe plaatsvinden dat de
aardkorst zelf ervan gaat smelten, maar die kans is heel erg klein.”
Hoe verwoestend ook, sterexplosies hebben toch één positief effect op het leven op
aarde. Zware en superzware sterren produceren aan het einde van hun leven een
serie elementen waar wij nu niet zonder kunnen: van koolstof en zuurstof tot ijzer,
goud en calcium. En dankzij de supernova’s werden deze elementen grondig door
het heelal verspreid, zodat wij uiteindelijk konden ontstaan. Houd dus ook in het
achterhoofd: zonder hen waren wij hier niet.
Kader:
Serieus gevaar?
Voor welke potentiële supernova- of gammaflitskandidaat moeten we het meest oppassen?
In 2010 verscheen er een aantal paniekerige krantenberichten over T Pyxidis, een
dubbelstersysteem op 3300 lichtjaar afstand. De witte dwergster steelt materie van zijn
kompaan en eens in de 20 jaar explodeert de boel: een nova. Maar inmiddels is hij overtijd.
Explodeert hij nu, dan zou het een supernova worden die al het leven op aarde bedreigt, zo
was de berichtgeving. Maar dat bleek later vals alarm: de knal zal daarvoor niet sterk genoeg
zijn. Hetzelfde geldt voor de rode reus Betelgeuze op 640 lichtjaar van de aarde. Eentje die
mogelijk wel voor problemen zou kunnen zorgen is Eta Carinae, een dubbelster op 8000
lichtjaar. De grootste van de twee sterren is even zwaar als 150 zonnen bij elkaar en
wanneer hij zover is, levert dat een gigantische supernova op: een hypernova. Maar ook hier
kunnen we opgelucht ademhalen: de kans is groot dat de resulterende gammaflits de aarde
mist.
Marysa van den Berg sprak voor dit artikel met astrofysicus Dr. Brian Thomas
(Washburn University) en astrobioloog Dr. Douglas Galante (Universidade de São
Paulo). Verder raadpleegde zij de volgende literatuur:
- Lewis R. Dartnell: Ionizing radiation and life | Astrobiology (juli/augustus 2011)
- Douglas Galante en Jorge Ernesto Horvath: Biological effects of gamma-ray bursts.
Distances for severe damage on the biota | International Journal of Astrobiology
(januari 2007)
- Philip Plait: Death from the skies! The science behind the end of the world | Penguin
Books (2008)
- Brian C. Thomas e.a.: Gamma-ray bursts and the earth: exploration of atmospheric,
biological, climatic, and biogeochemical effects | The Astrophysical Journal (20
november 2005)
Links naar meer informatie staan op www.kijkmagazine.nl/artikel/kosmischeexplosie