Eenmalig
of steeds
weerkerend
verschijnsel
Computer laat sterren exploderen
ZATERDAG 6 AUGUSTUS 1977
EXTRA
PAGINA J3
Uit de "metingen buiten
handbereik" waarover wij
onlangs in deze rubriek
schreven (23-7-77) bleek, dat
de aarde als nietig stofje deel
uitmaakt van een uitdijend
heelal. Naarmate objecten
zich verder van de aarde be
vinden, vlieden zij met gro
ter snelheid van ons van
daan.
Betekent dit, dat we weer te
rug moeten naar het we
reldbeeld van Ptolemeus,
die de aarde in het middel
punt van het heelal plaatste?
Of kunnen we toch het we
reldbeeld van Copernicus
handhaven, waarin aan de
aarde geen enkele bijzon
dere plaats is toegekend af
gezien van het feit dat wij er
toevallig op leven?
Het verschijnsel van de grotere
vluchtsnelheden ten opzichte van
de aarde bij grotere afstanden be
hoeft in het geheel niet te beteke
nen, dat de aarde een centrale
plaats inneemt. Indien wij tenmin
ste aannemen, dat de driedimens
ionale ruimte waarin wij leven ge
kromd is in een vierde dimensie.
Ons voorstellingsvermogen schiet
tekort om zo'n vierde dimensie te
begrijpen, maar er zijn talloze aan
wijzingen, dat wij inderdaad in zo'n
gekromde ruimte leven.
Om een en ander begrijpelijk te
.maken kunnen we ons "terug
schroeven" tot tweedimensionale
wezens, die leven op een bol waarin
de tweedimensionale wereld is ge
bogen in een derde dimensie,
wij als tweedimensionale
geen direct voorstellings
vermogen hebben. Blaast men die
bol of ballon op, dan vergroot de
afstand tussen alle vlekjes op het
oppervlak. Vanuit elk vlekje gezien
zal de snelheid van verder verwij
derde vlekjes groter worden. Van
uit elk punt op die ballon geldt dan
hetzelfde: de verwijderende snel
heid van elk ander vlekje schijnt
groter te zijn naarmate de afstand
groter is.
Dat is precies wat wij waarnemen
in het heelal, waarbij wij slechts
ogenschijnlijk een bijzondere posi
tie innemen, maar in wezen niets
verschillen van al die andere objec
ten in de ruimte, die in een vierde
dimensie is gekromd.
We hebben inmiddels een indruk
gekregen van de snelheden, waar
mee de hemelobjecten zich van el-
'kaar verwijderen, afhankelijk van
hun afstand. Die bedraagt ongeveer
30 km per seconde voor elk miljoen
lichtjaar afstand. Een object op 100
miljoen lichtjaar afstand (dat is on
geveer
1.000.000.000.000.000.000.000 kilo
meter) verwijdert zich dan met een
snelheid van 3000 km per seconde.
J(9 të)(3tfÏÏ<a
Die snelheden kunnen, zoals uit
ons vorig artikel bleek, bepaald
worden aan de hand van de "ïood-
verschuiving" van het licht van die
objecten, het doppler-effect van het
licht in het heelal.
Gaat men nu terugrekenen, dwz. de
uitdijende verschijnselen van het
heelal omzetten in een inkrimpend
heelal in de omgekeerde tijd, dan
kan men vaststellen, hoe lang gele
den die uitzetting van het heelal is
begonnen. Dat zou ongeveer twin
tig miljard jaar geleden geweest
zijn. Dit tijdstip is de laatste jaren
nogal eens verschoven. Omstreeks
1970 schatte men dit nog op vijfmil
jard, later op tien, nu op twintig mil
jard. Nu is een factor van 4 in een
wetenschappelijke berekening
geen doodzonde. Er zit namelijk
meer aan vast dan alleen wat snel
heden in een computer stoppen.
Er zijn vrij veel nog onbekende fac
toren in het spel, die niettemin een
belangrijke invloed hebben op de
processen die zich in het uitdijende
heelal afspelen.
Zo bestaat er onzekerheid over de
hoeveelheid interstellair stof. dus
materie in de oneindige ruimte tus
sen de sterren en de sterrenstelsels.
Deze materie, die veelal zeer moei
lijk is waar te nemen, kan in de
ontwikkeling van de huidige be
wegingen in het heelal en vooral
tijdens de eerste miljarden jaren
van de uitdijing een belangrijke rol
hebben gespeeld, zo belangrijk dat
een factor van 4 in de vaststelling
van de ouderdom van het heelal
geen uitzonderlijke afwijking
vormt.
Begin
Laten we nu maar even uitgaan van
een begin van de uitdijing twintig
miljard jaar geleden. Wat moet er
toen gebeurd zijn? Deze "big bang"
of "oer-explosie" ging uit van de
kleinst mogelijke samenballing
van alle materie en energie, name
lijk een bol met een betrekkelijk
kleine diameter (ongeveer over
eenkomend met de diameter van de
baan van de planeet Neptunus om
de zon) van ongeveer 9 miljoen ki
lometer. De materie in die bol be
stond vrijwel uitsluitend uit neu
tronen, ongeladen elementaire
kerndeeltjes die elkaar niet afstoot
ten of aantrokken en daardoor di
rect tegen elkaar gelegen waren. In
welke vorm de oer-energie in die
bal voorkwam is niet geheel duide
lijk.
Op een gegeven moment is die bal
door een of andere oorzaak, bv de
interne pressie als gevolg van de
zwaartekracht, uiteengespat. Över
de daadwerkelijke effecten in het
eerste halve uur na deze explosie
zijn alleen theoretische oordelen
mogelijk.
;Vermoedelijk zijn in dat stadium de
meeste zware chemische elemen
ten ontstaan. Uit de zwaarste ele
menten kwamen weer lichtere
voort door radioactief verval. Van
uranium bv, is bekend, dat het in
een bepaald (zeer langzaam) tempo
vervalt tot andere elementen onder
afgifte van radioactieve straling.
Gaat men na hoeveel uranium pro
centueel in lichtere elementen is
omgezet, dan komt men op een
leeftijd van ongeveer vijfmiljard
jaar. Dat zou derhalve de ouderdom
van de aarde kunnen zijn, maar dan
moet men wel de leeftijdskloof tus
sen aarde en heelal weten te over
bruggen, dwz een afstand van vijf
tot twintig miljard jaar. In 1970
meende men nog, dat die afstand
niet overbrugd behoefde te wor
den.
Overbrugging
Zo'n overbrugging is zeer wel mo
gelijk. Volgens de nieuwste inzich
ten ontstaan de zwaarste elementen
ook bij gigantische ster-explosies,
die wij novae en vooral super-novae
noemen. Tegenwoordig worden de
ongelooflijk gecompliceerde pro
cessen, die zich bij een ster
explosie voordoen nagebootst in
computers, zonder welker hulp
men deze processen niet kan vol
gen. In de wolken materie, die zcfn
ontploffende stei' uitwerpt, bevin
den zich ook de zwaarste elemen
ten, gevormd door de onvoorstel
baar grote druk in de materie van
de stervende ster. Men kan der
halve stellen, dat de zon en de pla
neten gevormd zijn uit de ijle wolk
van een super-nova ruim vijfmil
jard jaar geleden, dus ongeveer op
driekwart van de leeftijd van het
heelal na de big bang.
Overigens bestaat er een vrij sterke
overeenkomst tussen die big bang
en de super-nova. Die ster explo
deert door inwendige druk. De oor
spronkelijke kernreactie (met wa
terstof als brandstof voor de kern
fusie) heeft geleidelijk zoveel in de
ster aanwezige brandstof opge
bruikt, waarbij zwaardere elemen
ten zijn ontstaan, dat nieuwe kem-
fusiereacties ontstaan en weer
zwaardere atoomkernen enzo
voorts. Uiteindelijk leidt dit er toe,
dat de zwaartekrachten de stra
lingskrachten van de kernreacties
gaan overtreffen. Er volgt een "col
laps" of ineenstorting, die er korte
tijd later toe leidt, dat de ster explo
deert in een wolk van uitgestoten
Een fraai voorbeeld van inters
tellair stof, de Lagunennevel M8 in
het sterrenbeeld Boogschutter. Het
is een open sterrennevel die omge-<
ven wordt door een wolk van gas,
dat onder invloed van de sterren op
licht. De zwarte donkere vlekken
zijn materiewolken die niet oplich
ten en het licht van de achterligge
nde sterren en nevels onderschep
pen. De hoeveelheid interstellair
gas in het heelal is onbekendToch is
dit een belangrijk gegeven voor een
antwoord op de vraag, of de big
bang waaruit het heelal is ontstaan
een eenmalig verschijnsel is geweest
of een telkensomde miljarden jaren
terugkerende gebeurtenis.
materie en een zeer kleine reste
rende kern. hetzij een neutronens
ter hetzij een "zwart gat" resteert op
de plaats waar zich de oorspronke
lijke ster bevond.
Misschien en tot op zekere hoogte.
Bij de big bang begon de hele ont-l
wikkeling met een gigantisché
neutronen-ster, maar bij de super
nova is zo'n ster het einde of althans
een stadium nabij het einde. Het
einde zelf wordt dan gevormd door
een "zwart gat" waarin de materie
zo is samengeperst onder druk van
de zwaartekracht, dat een speldek-
nop ervan zoveel kan wegen als de
gehele aarde. De naam "zwart gat"
is in wezen dus fout. maar ontleend
aan het feit, dat zelfs licht niet meer
kan ontsnappen aan de
zwaartekracht-effecten van deze
geconcentreerde materie. Eer
zwart gat is dan ook nooit direct
waarneembaar. Men weet boven
dien niet welke natuurkundige
processen zich afspelen in zo'n
massaconcentratie, die volgens be
rekeningen steeds dichter moei
worden. Tot uiteindelijk door eer
of andere oorzaak alle materie er
energie in het niets verdwijnt, wel
licht naar een "ander" heelal.
Zoiets kan ook ten grondslag liggen
aan het ontstaan van ons heelal als
geheel. De big bang is niet verder
teruggerekend dan een bol van sa
mengeperste neutronen, niet tot
een nog zwaardere concentratie als
in een zwart gat waarover wij (nog)
niets weten met betrekking tot de
materiële samenstelling. Wellicht is
ons heelal ontstaan dooreen gigan
tisch zwart gat in een ander heelal.
Maar er zijn andere heelal-
modellen. Een belangrijke rol
daarin speelt de interstellaire mate-
Zonder
De Engelse astronoom Fred Hovle
ontwikkelde in 1948 een expander
end heelal zonder big bang, name
lijk een heelal waarin geleidelijk
aan materie werd geschapen uit het
niets om de "leegloop" als gevolg
van de expansie te compenseren.
Dit leek een erg gezochte construc
tie, maar was dat in wezen niet. Ja
renlang heeft dan ook de wetens
chappelijke strijd gewoed tussen
de aanhangers van de big bang,
waarvan de astronoom Gamow de
geestelijke vader was, en de astro
de continue schepping,
de theorie van Hoyle. De wereld
ruimte is zo onvoorstelbaar groot,
dat er slechts het verschijnen uit
het niets van twee of drie atomen
per kubieke kilometer nodig was'
om de materie in het heelal aan te
vullen. Dat ontstaan uit het niets
zou een gevolg kunnen zijn van het
instorten van materie tot een zwart
gat in een ander heelal. Hoe men
zich dit zou moeten voorstellen
bleef een raadsel, maar in ons eigen
heelal is aangetoond, dat materie
inderdaad verdwijnen kan, zelfs
zonder de omzetting in energie vol
gens de formule van Einstein M
Ec2, namelijk via de steeds ineen
schrompelende zwarte gaten.
Schepping
Deze continue schepping heeft
echter tot gevolg, dat het heelal
vroeger en nu een gelijke construc
tie zou hebben. Door metingen van
bepaald soort hemelobjecten, de
quasars, bleek echter dat deze ob
jecten op grote afstand van de aarde
talrijker voorkomen dan in de na
bijheid, dat zij dus vroeger (op grote
afstand zien is ook het verleden
waarnemen vanwege de eindige
snelheid van het licht) meer voor
kwamen dan tegenwoordig. Dat
betekende de doodsteek voor de
theorieen van Hoyle. die derhalve
zijn inzichten in 1966 veranderde.
Sindsdien is de theorie van de big
bang favoriet. Maar ook in deze vi
sie bestaan er verschillende heel-
almodellen, die weer nauw verband
houden met de spreiding en dicht
heid van het interstellaire gas.
Vraag
De vraag is namelijk, of de uitzet
ting van het heelal permanent is
dan wel tijdelijk en later overgaat in
contractie. Wanneer de totale
massa materie in het heelal groot
genoeg is, is de onderlinge aan
trekkingskracht van deze materie
ook groot genoeg om de expander
ende werking van de big bang te
niet te doen. Na miljarden jaren -
wees gerust, op korte termijn is dat
zeker niet het geval - zou het heelal
dan weer gaan inkrimpen-tot de
oorspronkelijke bal van onvoor
stelbaar dichte materie. Deze zou
dan weer kunnen exploderen tot
een uitdijend heelal, dat ontelbare
jaren later opnieuw zou inkrimpen.
Er ontstaat dan een soort pulserend
heelal, dat zich telkens vernieuwt.
Is de totale hoeveelheid materie
onvoldoende, dan was de kracht
van de big bang groot genoeg om
van die expansie een permanente
affaire te maken. In dat geval wordt
het steeds leger in de ruimte waarin
wij leven en zal uiteindelijk een
"leeg" waarneembaar heelal ont
staan.
Ondanks de nauwkeurigheid van
de metingen van tegenwoordig is
mén het nog niet eens over de aard
van de uitdijing van het heelal. Bo
vendien hebben we pas een halve
eeuw metingen van deze aard kun
nen verrichten, een tijd die veel te
kort is om veranderingen in de ex
pansiesnelheid met nauwkeurig
heid te meten.
Maar ter geruststelling: Uw kinds
kinderen zullen er nog niets van
merken, dat het heelal "leegloopt".
Dat zijn processen waarmee mil
jarden jaren gemoeid zijn en het
staat wel vast, dat tegen die tijd de
zon geëxplodeerd zal zijn of totaal
opgebrand, waardoor de mensheid
zijn levensbron verloren heeft.
WETENSCHAP
en
TECHNOLOGIE
door
P. Bok
Regelmatig wordt de aandacht
van astronomen getrokken door
exploderende sterren of superno
va's: oplichtende puntjes in verre
sterrenstelsels of ongewoon fel
stralende sterren in ons eigen
melkwegstelsel. Een supernova is
aan het eind van haar leven en
stookt in een plotseling verstoord
thermonucleair evenwicht de nog
resterende atomen op, waarna de
ster instort tot een zwarte sintel.
Over de natuurkundige verschijn
selen, die zich onder dergelijke ex
treme omstandigheden afspelen,
hebben astronomen en natuur
kundigen tal van theorieën ont
wikkeld en sinds kort wordt ge
tracht enig inzicht in het kosmi
sche rampverschijnsel te krijgen
met behulp van computers.
Natuurkundigen en astronomen
van Amerikaanse en Europese
universiteiten hebben in samen
werking met specialisten van
IBM's Thomas J. Watson Re-
searchlaboratorium in Yorktown
Heights een wiskundig compu
termodel ontwikkeld voor een
"doorsnee ster" om na te gaan wat
er gebeurt in de periode van onge
veer veertig dagen, nadat de ster
nova- of supernovasymptomen
gaat vertonen. Het model is een
complex van wiskundige verge
lijkingen, dat de realiteit tot op
zekere hoogte nabootst en dat
door 'n snel rekende computer 'tot
leven' wordt gebracht in een in
gewikkeld spel van oorzaken en
gevolgen.
Wanneer de astronomen het stra-
lingsevenwicht in de nagebootste
computerster verstoren op de wij
ze, zoals zij menen dat dit ook in
werkelijkheid gebeurt, berekent
het IBM Systeem 370 Model 168
stralingskarakteristieken, die na
uwgezet overeenkomen met
waarnemingen aan 38
supernova-uitbarstingen, gedaan
door een groep Italiaanse sterren
kundigen.
De astronomen Alan Karp van de
Universiteit van Maryland,
Kwing Lam Chan van de Prince
ton Universiteit en Charlotte
Gordon van de Universiteit van
Parijs beschouwen het compu
termodel als een waardevol
hulpmiddel bij het verkrijgen van
inzicht in het gedrag van een ge
middelde ster, aan het eind van
zijn leven.
Hoewel de computerberekenin
gen nog niet laten zien wanneer
precies een ster het explosieve
stadium bereikt, kan wèl worden
nagegaan hoe chemische elemen
ten, zwaarder dan helium worden
gevormd. Sommige astronomen
menen dat de chemische elemen
ten in het heelal, dus ook die op
aarde en in het menselijk lichaam,
in exploderende sterren zijn ge
formeerd.
En omdat supernova
uitbarstingen in diverse catego
rieën worden ondergebracht, zou
kunnen worden nagegaan welke
elementen in welk type exploder
ende ster tot stand komen. Vol
gens dr. Gordon Lasher van IBM is
het juist de vorming van elemen
ten, die een dermate ingewikkeld
patroon van gebeurtenissen volgt,
dat alleen een grote en snelle com
puter er nog wijs uit kan worden.
Uiteraard geven de berekeningen
op basis van het computermodel
nog lang geen antwoord op alle
vragen, die natuurkundige en
sterrekundige theoretici stellen.
Zo gissen zij nog steeds naar de
aard van de overblijvende ster na
de supernova-uitbarsting. Som
migen menen dat de onder zijn ei
gen gewicht instortende ster een
neutronenster of pulsar wordt of
dat sterren met een zware kern,
die driemaal de massa van de zon
bedraagt, vervallen tot het abso
lute eindstadium van de materie:
het zwarte gat.
Door het bestaande computermo
del verder uit te breiden hoopt
men in de toekomst ook deze theo
rie aan de praktijk van de compu
terberekeningen te kunnen toet-
Op de foto dr. Kwing Lam Chan
(links), dr. Gordon Lasher (mid
den) en dr. Alan Karp bij de grafi
sche computer-teLminal.
Drie opnamen van hetzelfde hemelgebxed. Boven toen er nog n
hand was. Midden het hoogtepunt van de nova-Pictoris, tenslotte enkele
weken later na het hoogtepunt van de in haar stervensuur opvlammende
ster.Op dat moment bevindt de uitgestoten wolk materie zich alver buiten
de lichtende ster Die wolk is niet waar te nemen. Dergelijke verschijnselen
worden thans in comouters onderzocht (opnamen van de Cape sterren
wacht).
