VRAGENOPSTELLER: professor sterrenkunde (KU Leuven) LEEN DECIN STUDENT: eerste master sterrenkunde, in het vak STERATMOSFEREN EN STERRENWINDEN
10 /20
‘Wie nipt geslaagd wil zijn, moet kunnen schetsen dat uit de big bang de lichtste elementen uit de tabel van Mendeljev zijn ontstaan: waterstof (H) en helium (He), in een verhouding van 72 procent (H) en 26 procent (He). Je moet ook weten dat die verhouding is gewijzigd door sterevolutie, en dat die sterevolutie tot 2 procent “zware” deeltjes heeft geleid zoals koolstof (C), stikstof (N), zwavel (S) en fosfor (F).
Je begint dus bij de oerknal 13,7 miljard jaar geleden. Heel kort daarna (na minder dan 0,001 seconde) is materie ontstaan, de temperatuur was toen extreem hoog (ongeveer 1013 graden Celsius). Pas 380.000 jaar later was die voldoende gedaald (tot 3000 °C), zodat elektronen zich aan atoomkernen konden binden. Dat heeft geleid tot het ontstaan van de eerste waterstof- en heliumdeeltjes.
Door kleine temperatuur- en dichtheidsverschillen in die enorme gaswolk, en deeltjes die elkaar daardoor op verschillende plaatsen hoe langer hoe meer aantrokken, zijn 200 miljoen jaar later de eerste sterren en sterrenstelsels geboren. Wanneer voldoende materie samenkomt, stort die in elkaar tot een massa die heel dicht én heel heet is. Er ontstaat dan een kernfusiereactie, waarbij waterstof wordt omgezet in helium: een ster is geboren.
Diep in de kern van die sterren, een omgeving met hoge dichtheid en hoge temperatuur, gebeuren de kernfusiereacties die uiteindelijk koolstof en andere elementen doen ontstaan. Waterstof wordt eerst helium. Wanneer de voorraad waterstof evenwel is opgebrand, trekt de sterkern zich samen waardoor de temperatuur er nog stijgt. Met die extra energie kan helium worden omgezet in koolstof, en zijn we een stap verder in de tabel van Mendeljev.
Maar sterren – zoals de zon – sterven ook. Ze branden op en ontwikkelen op het einde van hun leven sterrenwinden, waarvan je de thermodynamische processen theoretisch-wiskundig moet kunnen beschrijven. Door die sterrenwinden verliezen ze massa. Zo komen de deeltjes die ze hebben aangemaakt terecht in de ruimte, die op die manier verrijkt wordt met onder meer koolstof, stikstof en zuurstof. Nieuwe sterren die daarna ontstaan, hebben daar vervolgens een beetje meer van dan de vorige generatie.
Toch maken alle Mendeljevelementen behalve waterstof en helium, in massa maar 2 procent uit van het hele universum. De rest is 72 procent waterstof, en 26 procent helium. Die 2 procent, dat bijna niets, zorgt voor het leven op aarde.’
14 /20
‘Wie ook het onderscheid kan duiden tussen zware en lichte sterren en de elementen die daarin worden gemaakt, gaat richting veertien. Lichte sterren, zoals onze zon, maken voornamelijk koolstof (C), stikstof (N) en zuurstof (O). De zware sterren heb je nodig voor zwavel (S) en fosfor (F). Want hoe zwaarder de ster, hoe heter vanbinnen, en hoe verder ze in de tabel van Mendeljev kan gaan.
Voor 14 op 20 moet je ook in de geijkte symbolentaal kunnen uitleggen hoe voor de zes elementen de kernfusiereacties gebeuren. De kernfusie via de proton-protonketen bijvoorbeeld, die waterstof tot helium maakt.
Dankzij die kernfusiereacties en alle sterren die de zon zijn voorafgegaan, hebben we de elementen voor leven op aarde. Vandaar: wij zijn allemaal sterrenstof.’
20 /20
Voor 20 op 20 wil ik meer horen dan wat ik tijdens de colleges – al was het maar tussen neus en lippen – heb verteld. Je moet zelf extra kennis kunnen aanreiken en aantonen dat je, met wat er in de cursus staat, wetenschappelijk kunt redeneren en discussiëren.
Wat ik in dit vak niet heb verteld, is dat die elementen op zich nog niet genoeg zijn. Je kunt er moleculen mee maken, maar voor leven heb je ook vloeibaar water nodig. Dat is de perfecte katalysator, die de chemische reacties versnelt die uiteindelijk tot leven leiden. Als dat vloeibaar water iets anders vloeibaars was, zou er ook dan leven zijn ontstaan? Veel moeilijker. Water is de ideale substantie. Dat weten we omdat we het hebben getest. Maar waarom is dat zo? En hoe zeker is dat? Als ik daarover met jou kan discussiëren tot op een punt waarvan ik onder de indruk ben, krijg je 20 op 20.
De anekdote
Mijn eeneiige tweelingzus Greet en ik hebben samen gestudeerd, dezelfde opleiding sterrenkunde. Dat heeft voor zo veel verwarring gezorgd! In ons eerste jaar zaten we met twintig, en zei de prof bij een examen fysica dat hij na een uur de eerste student wilde zien. “Ofwel de eerste van het alfabet, ofwel wie al klaar is met drie van de vier vragen.” Ik was als eerste klaar, dus ik ging naar voren. In de alfabetische lijst stond Greet echter op nummer een en was ik nummer twee. Toen mijn zus enkele studenten later haar examen aflegde, zei de prof: “Sorry, u bent al geweest. U bent toch de eerste van het alfabet?”
Zij had toen kort haar, ik langer, maar we hebben hetzelfde gezicht en de prof kende ons niet uit elkaar. Uiteindelijk is de ombudsman erbij gekomen en hebben we officieel moeten verklaren wie wanneer examen had afgelegd.
We hebben toen allebei dezelfde punten gekregen.
Jan Jagers
‘Dankzij alle sterren die de zon zijn voorafgegaan, hebben we de elementen voor leven op aarde. Vandaar: wij zijn allemaal sterrenstof.’
