Dood van een massieve ster

• April 26, 2024

Massieve sterren worden op dezelfde manier geboren als kleinere sterren zoals de zon. Door zwaartekracht stort een wolk van gas in totdat deze dicht genoeg en heet genoeg is om te beginnen waterstof verbranden. Dit is de kernfusie van waterstofatomen om heliumatomen te maken. De uiterlijke kracht van de energie van de nucleaire reacties balanceert de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. Een ster als de zon zal miljarden jaren niet zonder brandstof zitten, maar een massieve ster brandt fel en haalt zijn brandstof in een fractie van de tijd door.

Stellaire nucleosynthese
Wanneer een ster zonder brandstof komt te zitten, trekt de kern samen. Dat produceert warmte, misschien genoeg om het branden van helium te starten. Dit gebeurt in zonachtige sterren, evenals sterren die massiever zijn dan de zon. Hoewel de kern samentrekt, zetten de buitenlagen uit. Zonachtige sterren zwellen op rode reuzen en enorme sterren in rode superreuzen.

Maar wanneer het helium op is, is de fusie voorbij voor sterren met een massa van 0,5 tot 8 keer de massa van de zon. Omdat zonder fusie er geen uiterlijke kracht is om de zwaartekracht te beperken, stort de ster in een witte dwerg.

En high mass stars - wat gebeurt er met hen? Omdat ze massiever zijn, branden ze heter. Heliumfusie produceert koolstof en zuurstof, en een massieve ster kan dan deze zwaardere atomen smelten om nog zwaardere te produceren. Ze kunnen verschillende van dergelijke cycli doorlopen totdat de ster silicium in ijzer smelt en eindigt met een ijzeren kern. Het proces van het versmelten van lichtere elementen in zwaardere elementen staat bekend als stellaire nucleosynthese.

Als de ster een ijzeren kern heeft, is dat het einde. Je kunt ijzer niet versmelten om energie vrij te maken. De zwaartekracht wint eindelijk. Zonder iets te stoppen stort de ster op een spectaculaire manier in.

Een beetje over atomen
Voordat we verder gaan met het verhaal, moeten we enkele feiten over atomen noteren.

• Een atoom heeft een kern gemaakt van protonen (met een positieve lading) en neutronen (die neutraal zijn).


• Rond de kern is een wolk van banen elektronen met negatieve kosten.


• De kern is duizenden keren kleiner dan het hele atoom.


• Hoewel de elektronen tieners zijn vergeleken met de protonen en neutronen, zijn hun banen groot.


• Gewone materie bestaat uit atomen die meestal lege ruimte zijn - het lijkt solide omdat de elektronen zo snel bewegen.

Maar wat als we de elektronen in de kern zouden kunnen persen en al die ruimte kwijt zouden kunnen?

De ster stort in
Er is zoveel materie in de instortende ster dat de kern niet eindigt als een witte dwerg. Het stort zo gewelddadig in dat de elektronen van zijn atomen in de kern worden geduwd. Daar reageren ze met de protonen om neutronen te produceren en neutrino's. (Neutrino's zijn extreem kleine subatomaire deeltjes zonder elektrische lading en bijna geen massa.) De kern is nu gemaakt van neutronen en is ongelooflijk dicht. Dit gebeurt allemaal in een fractie van een seconde - veel minder tijd dan nodig is om deze paragraaf te lezen.

De kern wordt zo dicht dat het bestand is tegen elke verdere ineenstorting, en de materie die op hoge snelheid valt, raakt het en stuitert af. De botsing laat al die neutrino's vrij. Ze voeren de energie uit de kerninstorting en verwarmen al het instortende materiaal tot miljarden graden. Alles behalve de neutronenkern wordt uitgeworpen met snelheden van miljoenen kilometers per uur. Een schokgolf dringt door het zich uitbreidende puin en lichtere elementen worden versmolten tot zwaardere, waaronder zeer zware zoals goud en uranium. Dit gebeurt in het eerste kwartier.

We noemen de explosie een supernova, en het is zo krachtig dat het voor een tijd zo helder is als een hele melkweg.

Neutronenster
Als de kern van de ingestorte ster tussen 1,5 en 3 keer de massa van de zon is, wordt het een neutronenster. Hoewel het veel massa heeft, onthoud dan dat zijn atomen zijn ingestort, dus zijn straal is slechts ongeveer 10 km (6 mi). Toch zou een theelepel van zijn materie miljarden tonnen wegen. De ster kan niet verder instorten omdat de dicht opeengepakte neutronen een naar buiten gerichte kracht uitoefenen neutronen degeneratie druk.

Een snel roterende neutronenster is een pulsar. Terwijl het draait, zendt het pulsen van elektromagnetische straling uit. Elke keer dat het in onze richting draait, kan een puls van radiostraling worden gedetecteerd. Een milliseconde pulsar draait zo snel dat er slechts een milliseconde tussen pulsen zit. De pulsar in de kopafbeelding is een milliseconde pulsar, maar op unieke wijze zendt hij gammastraling uit.

Zwarte gaten
Als de kern massiever is dan ongeveer drie keer de massa van de zon, kan zelfs degeneratiedruk de instorting niet stoppen. Het resultaat is een zwart gat. Het is eigenlijk geen gat in de ruimte, maar de zwaartekracht van de sterk geconcentreerde massa verdraait de ruimte. De zwaartekracht is zo sterk dat de snelheid die nodig is om eraan te ontsnappen groter is dan de lichtsnelheid, dus zelfs licht kan niet ontsnappen.Hoewel we geen zwarte gaten kunnen zien, kunnen we soms hun zwaartekrachteffecten op andere objecten detecteren.

Supernova overblijfsel
De kern van een massieve ster eindigt als een neutronenster of zwart gat, maar er is ook de rest, het materiaal verdreven uit de ster in de explosie. De expanderende schaal van gas en stof, aangedreven door een schokgolf, wordt een genoemd overblijfsel van supernova. Het is waar de nucleosynthese van zware elementen plaatsvond, en terwijl het reist, verrijkt het de ruimte tussen de sterren met deze zware elementen. Bovendien kan de schokgolf nieuwe stervorming veroorzaken en zullen de nieuwe sterren profiteren van de zware elementen die achterblijven.

Video-Instructies: Neutron Stars – The Most Extreme Things that are not Black Holes (April 2024).