Het universum, planeten en sterren

Soms heb je als mens het gevoel dat je een nummertje bent, zoals op school of in een heel groot bedrijf. Maar de vergelijking tussen jou en een grote organisatie valt in het niets bij de vergelijking tussen jou en het universum. In dat opzicht is zelfs de aarde super klein, waardoor je je kunt afvragen hoeveel de mensheid er eigenlijk toe doet. Er is nog veel onduidelijk over het universum en alles wat daarbij hoort. In dit artikel vertellen we je daarom meer over het universum, planeten en sterren!

Wat is het universum?

Het universum omvat alle ruimte, materie (deeltjes) en energie om ons heen. Daarnaast omvat het alle geschiedenis van die ruimte. Alle ruimte en tijd wordt namelijk samengevat in de zogenaamde ruimtetijd. De ruimtetijd bestaat uit vier dimensies: de drie dimensies van ruimte + tijd. De drie ruimtelijke dimensies zijn:

• Lengte
• Breedte
• Hoogte

Daarbij komt dus de vierde dimensie tijd. Hierdoor zegt een object in ruimtetijd niet alleen iets over zijn positie (ruimte), maar ook iets over de manier waarop het zich begeeft door de tijd (tijd).

Wanneer er gesproken wordt over alle materie en energie in de ruimtetijd, dan wordt daar ook echt alles mee bedoeld. De mensen, onze zon, ons melkwegstelsel en alle andere sterren maken deel uit van het universum. Dat betekent dat ook de geschiedenis en toekomst deel uitmaken van het universum. Het woord universum komt uit het Latijn. Het betekent dan ook heel toepasselijk 'alle dingen'.

Hoe is het universum ontstaan?

De meeste wetenschappers denken dat het universum is ontstaan door de oerknal, oftewel The Big Bang. Hoewel er meerdere theorieën zijn bedacht over het ontstaan van het universum is dit de meest gebruikelijke.

De theorie van de oerknal is nog niet oud en is in 2014 officieel vastgesteld. Het is gebaseerd op Einsteins relativiteitstheorie. De relativiteitstheorie bestaat uit twee theorieën waarin een nieuwe visie wordt gegeven over massa en tijd. Vroeger werd er namelijk gedacht dat het universum oneindig oud was. Echter, een van de uitkomsten van de relativiteitstheorie was dat het universum kan krimpen en uitzetten. Dit betekent dat het universum niet oneindig oud hoeft te zijn, aangezien het krimpen en uitzetten een beginpunt moet hebben.

De oerknal wordt aangewezen als dit beginpunt. Het was een grote knal waaruit het hele universum is ontstaan. De oerknal betekende het begin van alles wat ruimte en tijd was. Vóór de oerknal bestond er volgens de theorie dan ook geen massa, ruimte of tijd. Sinds de gigantische explosie van de oerknal begon de klok van het universum te lopen. Door deze grote explosie werd het universum heel snel veel groter en zette het uit. Deze uitdijing van het universum was echter maar van hele korte duur. Denk hierbij aan 10^-32 seconden. Na deze korte tijd stopt het universum met het zeer snelle uitdijen en zal het uitdijen een stuk langzamer verlopen. Let op: het universum vergroot zichzelf na deze 10^-32 seconden dus nog wel, maar trager. Deze theorie wordt ook wel de kosmische inflatietheorie genoemd.

Ongeveer 10^-6 seconden na de oerknal begonnen de quarks (waaruit protonen en neutronen zijn opgebouwd) samen te smelten tot protonen en neutronen. Dit samensmelten kan alleen gebeuren doordat het universum nog steeds onder grote druk staat en ontzettend heet is (hoger dan een miljard Kelvin). Een aantal minuten later beginnen neutronen samen te smelten om lichte atomen zoals Helium te vormen. De protonen blijven nog ongepaard als waterstof kernen.

Naarmate het universum verder uitdijt en afkoelt, begint er steeds meer ruimte te ontstaan tussen de verschillende deeltjes in het universum. Na ongeveer 380.000 jaar is het afgekoeld tot ongeveer 3.000 Kelvin. Hierdoor beginnen elektronen zich aan de atoomkernen te binden, waardoor volledige atomen ontstaan. De meeste atomen zijn dan nog waterstofatomen, maar er ontstaan ook complete heliumatomen.

Door de explosie van de oerknal is ontzettend veel energie ontstaan. Energie komt vaak vrij in de vorm van warmte. Daarom is er vaak een grote vuurbal te zien als iets explodeert. De deeltjes die warmte bevatten zijn fotonen. Bij de oerknal zijn dan ook ontzettend veel fotonen vrijgekomen. Normaalgesproken kan de mens fotonen zien. Echter, het universum was in het begin onder hoge druk. Daardoor konden de fotonen niet vrij bewegen. De fotonen werden namelijk steeds opgenomen door verschillende deeltjes (met name elektronen).

Toen na 380.000 jaar de elektronen zich aan protonen begonnen te binden, konden de fotonen vrij bewegen. Het universum werd als het ware doorzichtig. De fotonen die vanaf dat moment door de ruimte zijn gaan bewegen kan de mens wel zien. Dit wordt de kosmische achtergrondstraling genoemd.

Wat is kosmische achtergrondstraling?

De kosmische achtergrondstraling is de straling van fotonen die is uitgestraald na de oerknal. Het is een grote ontdekking geweest voor de oerknaltheorie. Hiermee werd namelijk aangetoond vanaf welke periode fotonen vrij door het universum konden bewegen.

De ontdekking van de kosmische achtergrondstraling is in 1965 per toeval ontdekt door Arno Allan Penzias en Woodrow Wilson. Zij werkten beiden bij een hoornantenne (vroege telescoop), die microgolven kon opvangen. Tijdens het opzetten van de antenne kregen zij een onbekend signaal binnen.

Dit onbekende signaal verstoorde het experiment waar ze mee bezig waren, dus wilden ze het verwijderen. Na verschillende controles van de meetapparatuur en pogingen om de hoornantenne schoon te maken, bleef het onbekende signaal aanwezig. Ze vroegen andere onderzoekers om hulp. Na wat belletjes bleek dat Penzias en Wilson de kosmische achtergrondstraling hadden ontdekt.

In 1978 kregen zij voor deze ontdekking de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Hoe ontstaan sterren?

Sterren ontstaan uit enorme gaswolken in de ruimte. Toen na 380.000 jaar de elektronen zich aan protonen begonnen te binden, ontstonden in het hele universum waterstofatomen en later ook zwaardere atomen. Deeltjes met massa worden tot elkaar aangetrokken door de gravitatiekracht. Zo begonnen de atomen heel langzaam naar elkaar toe te bewegen en zogenaamde moleculaire gaswolken te vormen.

Moleculaire gaswolken

De elementen in moleculaire gaswolken vormen de bouwstenen voor sterren. Er zijn enorm veel bouwstenen, want moleculaire gaswolken zijn ontzettend zwaar en groot. Ze hebben een massa van tussen de tienduizend en tien miljoen keer de massa van de zon. Hun grootte ligt grofweg tussen de vijftien en zeshonderd lichtjaar. In het vroege universum kwamen deze gaswolken vaker voor dan tegenwoordig.

Het ontstaan van een ster begint op het moment dat delen van de draaiende moleculaire gaswolk instorten onder de eigen zwaartekracht. Dit gebeurt doordat in een moleculaire gaswolk niet alle deeltjes gelijkmatig zijn verdeeld, wat een variatie in dichtheid tot gevolg heeft

Tijdens het instorten wordt de wolk steeds kleiner, heter en krijgt het een steeds hogere dichtheid. Daarna begint het een bol te vormen. De verschillende deeltjes die oorspronkelijk in de moleculaire gaswolk om elkaar heen draaiden, gaan tijdens het instorten met een nog grotere snelheid om elkaar heen draaien. Dit komt door de wet van het behoud van impulsmoment, welke stelt dat elk voorwerp zijn draaiing wil behouden en dus liever niet stil staat. Wanneer de moleculaire gaswolk kleiner wordt, begint hij automatisch sneller te draaien. Dit gebeurt om het impulsmoment te bewaren en komt doordat de deeltjes een kortere baan hoeven af te leggen.

Kernfusie

Wanneer de bol ver genoeg in elkaar is gestort, kan er kernfusie plaatsvinden. Hierbij smelten waterstofatomen samen om zwaardere elementen te vormen. Van een groepje van vier waterstofatomen wordt helium gemaakt. De enorme hoeveelheid energie die daarbij vrijkomt, is te zien als het licht dat door sterren (en onze zon) wordt uitgestraald. Kernfusie is het proces dat in de kern van elke ster plaatsvindt om het te laten schijnen.

Protoster

Een protoster is een hele jonge ster die nog steeds atomen aantrekt van de moleculaire wolk waarin het zich begeeft. Zodra er door zwaartekracht genoeg atomen tot de protoster zijn aangetrokken, wordt het een volwaardige ster en bereikt het zijn hoogste draaisnelheid. Onze zon draait bijvoorbeeld in 27 dagen om zijn as, terwijl er ook sterren zijn die wel honderd keer sneller draaien.

Echter, de protoster is niet de enige ster die vanuit een moleculaire gaswolk kan ontstaan. Er zijn namelijk veel verschillende sterren met hun eigen grootte en lichtsterkte. Alle sterren in het universum zijn samengebracht in het Hertzsprung-Russell diagram.

Video

Wil je meer weten over sterren? Bekijk dan deze video:

Hoe ontstaan planeten?

Planeten ontstaan doordat deeltjes samenklonteren onder hun eigen zwaartekracht. Het lijkt op de manier waarop sterren ontstaan.

Een protoster is nog druk bezig om zich te ontwikkelen vanuit de atomen die het haalt uit de moleculaire wolk om zich heen. Deze wolk van stof en gas verandert langzamerhand in een protoplanetaire schijf. Deze schrijf draait rondom de ster.

Binnenin deze protoplanetaire schijf ontstaan kleine korrels stof en ijs, die tot elkaar worden aangetrokken door hun massa. De korrels worden steeds groter en smelten samen tot planetesimalen. Dit zijn hele grote blokken massa. Als de verschillende planetesimalen zich op elkaar beginnen te stapelen, ontstaan protoplaneten en uiteindelijk volwaardige planeten.

Planeten vormen zich op verschillende afstanden van de ster. Planeten die dicht bij de ster gevormd worden zijn vaak heet en droog. Planeten die zich daarentegen verder van de ster vormen, zijn vaak koud en bevroren. De planeten dichter bij de zon worden vooral gevormd door elementen die zwaarder zijn. Daarom zijn Mercurius, Venus, Aarde en Mars ook aardse planeten of rotsplaneten. De planeten verder weg van de zon worden voornamelijk met gas gevormd. Dit zijn Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus.