Het heelal in een notendop

Goeiedag, het is vandaag zondag 25 Oktober 2009, ik ben Jozef Van Giel en dit is de 34ste aflevering van deze podcast. Deze aflevering kwam tot stand mede dankzij Rik Delaet.

Vandaag zal ik een poging wagen om in twintig minuten uit te leggen hoe het heelal ontstaan is. Er zitten natuurlijk nog een hoop gaten in mijn verhaal, maar ik wil je een overzicht geven en je interesse prikkelen om hier dieper op in te gaan. Dit zal niet de laatste aflevering over astronomie zijn, maar wie niet kan wachten en geen probleem heeft met het Engels, raad ik aan om zich te abonneren op de podcast “Astronomycast”.

1. Het heelal in een notendop

Het begon allemaal met de alom bekende oerknal. Maar in tegenstelling tot wat de meeste mensen denken, was dat niet zo’n ontploffing die je van op afstand kon bekijken mocht je toen bestaan hebben en zien hoe een hete bol “heelal” met een enorme snelheid als maar groter en groter werd. Nee, “daarbuiten” bestond niet. Alles was in die knal. De drie ruimtedimensies, de tijd en de materie. Heel de materie was één enorme hete brij van enkele miljarden graden Celsius. De boel begon uit te zetten met een enorme snelheid. De grootte van het heelal groeide met een snelheid die groter was dan de lichtsnelheid. Dit is niet tegenstrijdig met de relativiteitstheorie omdat het geen deeltjes zijn die zo snel vlogen, maar wel de afstanden in de ruimte die zo snel groeien. Ik zei dus dat ook de tijd daar ontstond. Daarvoor was er dus geen tijd. Eigenlijk is dat zelfs een foute opmerking want er was geen daarvoor. Het begint met een tijdssingulariteit. Ons afvragen wat daarvoor was en wat die oerknal veroorzaakte is dus een verkeerde vraag. Maar wel menselijk, want onze hersenen zijn geëvolueerd om te overleven in een ruimte waar tijd gewoon voortschrijdt en zaken oorzaak zijn van andere zaken, niet om intuïtief in te zien hoe dat er juist aan toe ging tijdens die oerknal. Met het uitzetten van het heelal, koelde het ook af. Daardoor kon die enorm hete brij zich gaan opsplitsen in elementaire deeltjes. Na één seconde, ontstonden er protonen en elektronen. Soms botsten die elektronen op de protonen zodat er neutronen ontstonden. Door de warmte konden deze protonen en neutronen nog verder botsen tegen andere waardoor er niet alleen waterstofkernen —protonen— maar ook helium- en lithiumkernen ontstonden. Het heelal zette nog verder uit en koelde daardoor nog verder af, waardoor de elektronen, aangetrokken door de elektrische lading zich bij deze atoomkernen konden voegen. Het heelal bestond uit zeer veel waterstof en een beetje helium- en lithiumatomen.

Het heelal zette zich verder gelijkmatig uit en koelde nog verder af. Maar dat uitzetten gebeurde toch niet zo heel gelijkmatig, waardoor er hier of daar wat meer materie was dan elders. Die gebieden begonnen door hun zwaartekracht nog meer materiaal van de omgeving aan te trekken waardoor deze massaconcentraties nog groter werden en zo nog meer massa aantrokken. Doordat al deze deeltjes aanvankelijk kriskras door elkaar vlogen, maar ook elkaar aantrokken ontstonden er draaibewegingen. Het is hetzelfde effect dat ervoor zorgt dat het water dat uit het bad wegloopt rond het putje draait en niet rechtstreeks erin loopt. Die draaiende spiraal wordt door de middelpuntvliedende kracht afgeplat en het materiaal komt altijd maar dichter en dichter bij elkaar in het centrum. In het midden begint het materiaal altijd maar sneller in elkaar te storten waardoor dat de temperatuur aldaar altijd maar hoger en hoger wordt. Als het zo blijft voorduren, dan stort de materie in het middelpunt te pletter en ontstaat er een neutronenster of een zwart gat. Maar voorlopig het komt zo ver niet, want, zoals ik al zei wordt dat materiaal door zijn snelheid altijd maar heter. Als die waterstofatomen meer dan 15 miljoen graden Celsius krijgen, start de kernfusie waarbij het deuterium, dat is waterstof waarvan de kern bestaat uit een proton en een neutron, ‘samensmelt’ tot helium. Daarbij komt er een enorme hoeveelheid energie vrij in de vorm van licht. Op den duur ontstaat er zoveel licht dat zich door al dat materiaal dat in elkaar aan het storten naar buiten probeert te wringen, dat de druk van het licht de materie weer van het centrum weg duwt. Hierdoor ontstaat er een nieuwe evenwichtstoestand, waarbij de zwaartekracht probeert om al de massa samen te duwen en de lichtenergie probeert om die massa weer naar buiten te duwen. Er ontstaat een gloeiende bol waterstof die door kernfusie van waterstof, helium en licht maakt. Wij noemen dat een ster. Verschillende sterren die in elkaars buurt zitten beginnen elkaar aan te trekken en beginnen zo in mooie grote spiralen rond elkaar te dansen. Zo ontstaan melkwegstelsels. Maar ook melkwegstelsels trekken elkaar aan een gaan rond elkaar dansen tot clusters. En clusters vormen samen superclusters.

De rest van de gaswolk die rond de nieuwe ster draait begint ook op verschillende plaatsen samen te klonteren, maar dikwijls in hoeveelheden die niet groot genoeg zijn om kernfusie te starten. Dat zijn planeten. Dit verklaart ook waarom planeten rond sterren draaien in dezelfde richting als de rotatie van de ster rond haar as en waarom planeten meestal in hetzelfde vlak rond die ster draaien en zelf ook meestal in diezelfde richting rond hun as draaien. Afwijkingen hiervan hebben meestal te maken met incidenten zoals botsingen. Maar die eerste sterren hebben alleen gasplaneten aangezien er alleen maar waterstof en een beetje helium en lithium in het heelal is. Die eerste sterren zijn ook reuzensterren die dus bijgevolg ook zo heet worden dat ze heel snel hun waterstofvoorraden verbruiken. Op amper 10 miljoen jaar zijn ze volledig opgebrand. Als al dat waterstof opgebruikt raakt , vermindert dat de lichtproductie. Daardoor vallen de buitenste lagen naar binnen en zakt de ster wat in elkaar, waardoor de temperatuur opnieuw stijgt. Hierdoor begint de ster het helium te verbranden. Allé, niet zoals in een houtstoof natuurlijk, want dat is oxideren met zuurstof, en er is nog geen zuurstof in het heelal. Maar ook de heliumkernen gaan nu met voldoende snelheid tegen elkaar botsen en fuseren tot koolstof. Geleidelijk aan wordt helium ook met koolstof versmolten tot zuurstof en neon; en bij nog hogere temperaturen ontstaat magnesium, silicium, zwavel, calcium en ijzer. Bij al deze reacties komt telkens energie vrij die in de vorm van licht wordt uitgestraald, en tegelijk de ster tegen verder instorten behoedt zodat de fusies kunnen aanhouden. Maar als we ijzerkernen laten fuseren komt er geen energie vrij zodat het volledige proces ophoudt. Hierdoor valt de lichtdruk weg en stort de ster volledig in elkaar. De ijzerkern kan dan een dichtheid krijgen van 1000 ton per cm³! Als die kern dan ongeveer 1,3 keer de massa van onze zon heeft, gaat die ijzerkern nog verder in elkaar storten, maar de situatie wordt alleen maar erger omdat die ijzerkernen bij botsing alleen maar energie opslorpen in plaats van vrij te geven. De implosie van de sterkern gaat door totdat, binnen enkele milliseconden, een dichtheid wordt bereikt die even groot is als die van atoomkernen (~10^18 kg/m3). Op dat moment neemt de weerstand tegen verdere compressie toe en gaat het ineengestorte binnenste van de ster zich gedragen als een keiharde bol. Eigenlijk is een kei een heel zacht kussen in vergelijking met deze toestanden. Zelfs een diamant is in vergelijking hiermee, zacht te noemen. Meer naar buiten gelegen schillen van de ster, die bezig waren naar binnen te vallen, kaatsen terug op deze keiharde bol en botsen met de sterlagen die daar weer achteraan naar binnen vallen. Er ontstaat een schokgolf, die zich naar buiten toe voortplant. Het duurt ongeveer een uur voordat deze het oppervlak van de ster bereikt.

Deze schokgolf, en de neutrino’s die hierbij ontstaan, rijten de ster volledig uiteen. Hierdoor krijgen de buitenste lagen nog meer energie en worden al die lagen met een enorme kracht weggeblazen. De kracht is zo groot dat de snelheid van de materie de lichtsnelheid gaat benaderen. Tijdens dit proces is de energie zo groot dat er allerlei nieuwe elementen ontstaan, waaronder ook de elementen die zwaarder zijn dan ijzer Omdat er bij het vormen van deze elementen door fusie geen energie vrijkomt maar net energie wordt opgeslorpt. Daardoor kunnen zelfs zware elementen zoals uranium en thorium ontstaan die net energie geven bij het terug opsplitsen van de kern. Dit proces noemt men kernfissie en daar maken we gebruik van om in onze kernreactoren energie te produceren. Eigenlijk kan je zeggen dat je computer op opgestapelde supernova energie draait, net zoals petroleum en steenkool gecumuleerde zonne-energie is. De rest van de ster stort weer verder samen en wordt zo een witte dwerg, een neutronenster of een zwart gat, afhankelijk van de massa. Heel dit process van een ontploffende reuzenster noemen we een supernova. Bij zo’n supernova komt een enorme hoeveelheid energie vrij. De totale energie die in enkele weken vrijkomt, is groter dan de totale energie die onze zon gedurende zijn volledige leven zal uitzenden. Als de zon tot een supernova zou ontploffne, wat niet kan omdat hij te klein is, zou de aarde onmiddellijk volledig verdampen. Het licht dat uitgezonden wordt is zo helder dat je een supernova in een andere melkweg met het blote oog perfect kan zien als een zeer helder lichtpunt. Een supernova die even ver als sirius zou voorkomen, namelijk een kleine 9 lichtjaren, zou helderder zijn dan de volle maan.
De Oortwolken die ontstaan door de uitgestoten materie van supernova’s gaan door hun zwaartekracht weer samenklitten en zo ontstaan dan er weer nieuwe sterren. Die sterren krijgen planeten, maar die planeten bestaan niet alleen meer uit grote gaswolken zoals Jupiter, maar uit allerlei ander materiaal dat ontstond bij die reuzensterren van de eerste generatie. Om er enkele belangrijke op te noemen: koolstof, zuurstof, stikstof, silicium en ijzer, maar ook zwaardere elementen zoals goud, lood, uranium enzovoort.

De aarde was zo’n hete brok van allerlei samengeklitte zwaardere stoffen. En ze was nog maar net leuk aan het ronddraaien rond haar nieuwe zonnetje, of wordt ze daar door een andere planeet aangereden! Zo hard dat beide planeten in elkaar versmelten. Het zware ijzer valt naar de kern zitten en een grote klomp lichtere stoffen worden de ruimte in geslingerd. De maan is ook geboren.
Gedurende de volgende miljoenen jaren moet de aarde een voortdurende aanval van kometen verduren. Deze kometen zijn eigenlijk rondvliegende vuile ijsklompen. Hierdoor kreeg de aarde oceanen. En in die oceanen zat een oersoep van allerlei chemische elementen waaronder ook koolstof. En die koolstof bouwt graag chemische verbindingen in de meest bizarre combinaties met zichzelf, maar ook met waterstof en andere elementen. En in die oersoep, in de goede omstandigheden, met energie van bliksems of van geologische oorsprong, over een aantal duizenden jaren, ontstaan er zo verbindingen die erin slagen om zichzelf te vermenigvuldigen. Maar toch niet helemaal foutloos. Dit is de aanzet voor de evolutie van het leven. En zo’n 4 miljard jaar later laat Walt Disney Tinkerbel en Peter Pan vliegen op sterrenstof en wat later zingt Moby “we are all made of stars”.

De zon zal geleidelijk aan warmer worden. Bijgevolg zal het leven op aarde geleidelijk aan verdwijnen en zullen de oceanen volledig verdampen. Op het moment dat de zon door zijn waterstofvoorraden heen zal zijn, zal het ook het helium verbranden. Dan gaat ze uitzetten zodat ze Mercurius en Venus opslokt. De aarde misschien ook of misschien zal die er net aan ontsnappen. Onze zon is echter niet groot genoeg om ook nog koolstof te verbranden, zodat de uiteindelijke koolstofkern in elkaar zal storten om zich in een kubisch vlak gecenterde kristalstructuur te ordenen en zo te sterven. Als onze zon sterft, wordt ze een prachtige gigantische diamant!

2. Hoe dingen werken

Ik heb me voorgenomen om voortaan regelmatig een nieuwe rubriek in deze podcast in te lassen waarin ik interessante technische weetjes inlas. Aanvankelijk dacht ik eraan om een volledige podcast te organiseren over weetjes rond computers, maar het ging een lange lijst worden waardoor het waarschijnlijk zijn doel zou missen. Bij elke aflevering zo één weetje is waarschijnlijk leuker. Bovendien heb ik al een aantal leuke weetjes die niet in de computerwereld thuishoren. Dit idee heb ik trouwens geïnspireerd op een fantastische website genaamd “HowStuffWorks” die vol staat met zulke weetjes. Bovendien hebben zij ook enkele Engelstalige podcasts die zij uitbrengen.

Hier komt de eerste:
De meeste mensen kennen wel computervirussen. Dat zijn kleine programmaatjes die zichzelf vermenigvuldigen door te parasiteren op nuttige toepassingen. Telkens de gebruiker het gastprogramma activeert, loopt ook de code van de virus. De code van dat virus kan van alles doen, maar er is één deel dat het programma altijd doet, dat is zichzelf kopiëren naar andere programma’s of naar e-mails, zodat het zich vanaf daar weer verder kan vermenigvuldigen. Waarom bestaan zo’n programma’s? Omdat er mensen zijn die erop kicken om ze te schrijven.
De gelijkenis met een biologisch virus is zo treffend. Beiden, kunnen niet op zichzelf leven, maar moeten parasiteren op ander leven of toepassingen. Beiden misbruiken de cellen of runtime van hun gastheer om zichzelf te vermenigvuldigen en zo verder ander leven of toepassingen te infecteren zodat ze weer kunnen verder leven. Beiden proberen het afweersysteem te verschalken. In het geval van computervirussen zijn dat dan de antivirusprogramma’s. Sommige virussen dragen verschillende versies van hun code mee die ze bij elke volgende generatie verwisselen. Aangezien antivirusprogramma’s zoeken naar bepaalde patronen, maken zulke transformaties het hen moeilijker. Het is duidelijk dat een virus zich op die manier razendsnel via het internet over de ganse wereld kan verspreiden.
De meeste virussen doen ook niet veel meer dan zichzelf kopiëren. Sommige agressieve gaan echter een of andere vandalistische actie ondernemen zoals de harde schijf van het slachtoffer wissen of een welbepaald programma onklaar maken omdat de schrijver ervan misschien wil protesteren tegen het bedrijf dat dat programma verkoopt. Sommige virussen willen grappig zijn door stukjes code te hebben die bijvoorbeeld een videoeffect op het scherm activeert en zo de indruk geeft dat je beeldscherm in stukken vliegt of begint te smelten of wat er ook opkomt in de fantasie van de programmeur. Je zou nu denken dat een virus dat alleen zichzelf kopieert onschadelijk is, maar dat is niet zo, omdat er op de duur zoveel kopieën zijn dat het begint te vreten aan de performantie van je computer of van het internet. De kunst voor de schrijver van een virus bestaat er dan in om het eerste programma te infecteren. Dikwijls maken ze dan gebruik van illegale kopieën van commerciële programma’s die ze dan via Torrent verspreiden. Open Source programma’s zullen minder gemakkelijk geïnfecteerd geraken. Daar spreek ik later nog wel eens over.

3. Het citaat
Het citaat van vandaag komt van Carl Sagan. Ik heb hem al in vorige afleveringen voorgesteld. Carl Sagan is een held voor veel sceptici. Bovendien is hij één van die grote astronomen die ons beeld van het heelal sterk hebben veranderd. Carl Sagan zei:

“Wetenschap in niet alleen compatibel met spiritualiteit, het is een diepzinnige bron van spiritualiteit.”

Tot de volgende keer.