Het lanceren van een raket is een dure grap. Niet alleen is heel veel brandstof nodig om een kleine lading te lanceren, ook kan een raket maar één keer gebruikt worden. In dat laatste komt verandering met de herbruikbare raket. SpaceX van multimiljonair Elon Musk wil doen waar NASA honderden miljarden voor nodig had en faalde.
Core booster CRS8 op een landingsplatform op zee. Bron: SpaceX
Stel je voor, je zou bij iedere vakantie naar een zonnige bestemming mee moeten betalen aan een compleet nieuw vliegtuig. Vliegvakanties zouden onbetaalbaar worden. Toch is dit precies wat er gebeurt bij ruimtelanceringen. Het grootste deel van de raket, de booster, wordt weggegooid als de payload op de gewenste hoogte is en brandt op in de atmosfeer. Of verandert in gevaarlijk ruimteschroot.
Zelfs bij de Space Shuttle, NASA’s paradepaardje dat meer kostte dan wij hier in een paar maanden verdienen, werd de grote boosterraket die de rest van het ruimtevaartuig omhoog stuwt, weggegooid. Waarschijnlijk hebben printerinkt fabrikanten dat kunstje afgekeken van de toeleveranciers van NASA, waardoor je nu ruimtevaart tarieven betaalt voor vervangende inktcassettes.
Herbruikbare raket maakt lanceerkosten tientallen malen lager
Musks bedrijf SpaceX gebruikt op dit moment de Falcon 9 raket. Een lancering kost voor veelgebruikers rond de vijftig miljoen dollar (rond de 38 miljoen euro, oktober 2011). Niet erg duur vergeleken met wat NASA uitgeeft voor hun vuurpijlen, maar toch veel te veel om een grootschalig gebruik van de ruimte mogelijk te maken. Het grootste deel van de lanceerkosten zit hem in de raket zelf. De brandstof maakt met 200 000 dollar maar 0,3 procent van de kostprijs uit. Logisch, deze bestaat uit relatief goedkope kerosine (wordt ook door vliegtuigen gebruikt) en vloeibare zuurstof (gemakkelijk te bereiden door lucht sterk af te koelen).
Als het mogelijk wordt om voor minder dan een procent van de lanceerkosten nu (dan praten we dus over minder dan honderd euro per kilogram), de onderdelen en mensen voor een Marsmissie in low earth orbit te krijgen, dan hoeft een missie naar Mars niet meer dan een paar honderd miljoen euro te kosten. Daar red je nog niet eens de lokale boerenleenbank mee. Kortom: zelfs voor een klein land als Nederland of België zou een reis naar Mars dan dus haalbaar worden met de herbruikbare raket. Met precies dit argument komt Musk dan ook aanzetten.
Het is uiteraard de droom van Musk om naar andere planeten te reizen en de ruimte open te leggen, maar het interessantst is voorlopig het lanceren van satellieten en zonnepanelen. Kortom: het zou wel eens heel druk in de ruimte om ons heen kunnen gaan worden.
Astronomen hebben nu de kans berekend van het vinden van aardachtige planeten bij andere sterren, waarbij ze gebruik maakten van de laatste data van de Keplermissie. De waarschijnlijkheid van minstens één planeet in de ‘bewoonbare zone’, het temperatuursgebied waarin de temperatuur van de planeet voldoende gematigd is om vloeibaar water mogelijk te maken, is, zoals het er nu naar uitziet, enorm groot: rond een derde. Goed nieuws dus voor toekomstige sterrenreizigers.
De planetenjagende satelliet Kepler is speciaal ontworpen om aardachtige planeten rond sterren op te sporen. Dit doet de satelliet door bij honderdduizenden sterren tegelijk te letten op periodieke afzwakkingen van het sterrenlicht. Dit betekent namelijk dat er een planeet voor de sterrenschijf langs trekt. Omdat de kans dat een planeet precies tussen de ster en de aarde in staat vrij klein is, ontdekt Kepler maar een kleine fractie van alle planeten.
Kepler ontdekt exoplaneten als ze voor hun ster langstrekken. Voor een individuele planeet is die kans maar klein, maar Kepler houdt zoveel sterren tegelijkertijd in de gaten, dat er toch veel exoplaneten ontdekt worden.
Desondanks bleek de eerste 136 dagen van Kepler een ware goudmijn aan planeten op te leveren. In deze tijd bestudeerde Kepler ongeveer 150 000 sterren en vond bewijzen voor 1235 potentiële exoplaneten. Dat is een behoorlijk grote vangst, als je je realiseert dat de kans dat een exoplaneet op ongeveer de afstand van de aarde tot de zon, precies voor een zonachtige ster langs trekt, minder dan een procent is.
Sindsdien heeft het team astronomen van de Keplermissie en de teams waar ze mee samenwerken zich ook toegelegd op details van deze exoplaneten te weten proberen te komen. Het gaat hier om zoveel potentiële exoplaneten, dat ook statistische analyses mogelijk zijn. Daaruit zijn weer verschillende projecties te maken. Vandaag heeft Wesley Traub van het Californische Instituut voor Technologie in Pasadena de resultaten van precies zo’n studie bekend gemaakt. Traub heeft alleen naar de sterren gekeken die het meeste op de zon lijken, namelijk van spectraalklasses F, G en K. Onze zon is een G type ster. De stertypes O, B en A leven te kort om leven voort te kunnen brengen.
F-types zijn heter en zwaarder dan de zon, K-types iets lichter en koeler. Het meest voorkomende type ster, de rode M-dwergen, leeft zeer lang, maar exoplaneten moeten zo dicht bij dit sterretje staan om voldoende zonlicht te krijgen dat getijdeneffecten de planeet stilleggen, ongeveer zoals de maan nu ook altijd dezelfde kant naar de aarde wendt. Of dit het ontstaan van leven belemmert is overigens de vraag. Er zijn modellen bedacht waarbij dat niet zo is, bijvoorbeeld de oogbal aarde. Ook is de bewoonbare zone van M-dwergen zo smal dat de kans kleiner is dat precies hier een aardachtige planeet in rondzwerft.
De resultaten: aardachtige planeten komen evenveel voor rond zware F-sterren als rond lichte K-sterren. Wel zijn er rond lichte sterretjes veel minder kleine planeten waargenomen. Vrijwel zeker is dat volgens Traub omdat kleine planeten moeilijker te zien zijn voor Kepler. Dat geldt ook voor ons. Een overgang van de aardachtige Venus voor de zon langs is veel makkelijker waar te nemen dan van de veel kleinere Mercurius, die zo groot is als een wat uit de kluiten gewassen maan. Planeten vlak bij de ster hebben ook een veel grotere kans om voor de ster langs te bewegen. Een derde van alle planeten die Kepler vond zijn dan ook verschroeide Mercurius-achtige werelden met omlooptijden van minder dan 42 dagen. Ter vergelijking: de weinig gastvrije Mercurius 88 dagen, wat dus duidt op totaal onleefbare geblakerde rotsblokken.
Spannender is natuurlijk de ontdekking van aardachtige werelden op grotere afstand van de ster, binnen de zone waarin vloeibaar water mogelijk is. De meeste van deze planeten bevinden zich te ver van hun ster af om al door Kepler opgepikt te worden. Hoe verder van de ster, hoe langzamer planeten bewegen en hoe groter hun baan, dus hoe kleiner de kans dat ze net voor de ster langstrekken als Kepler waarneemt. Traub heeft echter een techniek ontwikkeld om dit probleem te omzeilen.
Hij heeft namelijk een empirische exponentiële wet ontdekt die beschrijft hoeveel sterren planeten hebben met een gegeven omloopperiode. Erg handig, want de omloopperiode (lengte van het jaar) hangt rechtstreeks af van de afstand tot de ster en kan dus worden gebruikt om te berekenen hoeveel sterren planeten in de bewoonbare zone hebben. Dit deed Traub, om zo tot zijn conclusie te komen: ongeveer een derde van alle FGK sterren hebben tenminste één aardachtige planeet in de bewoonbare zone. Er zijn in ons melkwegstelsel ongeveer 300 miljoen sterren. Als je bedenkt dat één op de vijf sterren in de klasse F, G of K valt, dan betekent dat alleen al in ons melkwegstelsel een duizelingwekkend aantal van 20 miljoen planeten waarop zich in theorie leven kan ontwikkelen.
Stel, je wordt op een dag wakker en kijkt in de spiegel. Er is iets heel vreemds aan de hand. Je ziet er korrelig en vaag uit, als een slechte kwaliteit beeld dat sterk is opgeblazen. Je gilt, maar het geluid dat je maakt klinkt spookachtig, als over een slechte telefoonlijn. Vreemd? Toch is dit wat onvermijdelijk gebeurt als twee ideeën, de uitzetting van het heelal en het behoud van kwantuminformatie, allebei kloppen, stelt MIT-kosmoloog Mark Tegmark.
Zullen wij mensen veranderen in radioactief opgloeiende materie?
De Big Snap en de inflatietheorie
Dit akelige scenario is ook wel bekend als de Big Snap. Het is het logische gevolg als je de snelle uitzetting van het heelal koppelt aan de kwantummechanische voorwaarde dat de hoeveelheid informatie in het heelal altijd gelijk blijft. Als dezelfde hoeveelheid informatie over een groter volume wordt uitgesmeerd, beginnen dingen als atomen en dus ook mensen uit elkaar te vallen. Het heelal loopt als het ware vast. Een schrale troost: je sterft al door andere oorzaken voor je jezelf ziet vervagen.
Er is gelukkig één maar aan dit onprettige vooruitzicht. Het is in strijd met de kosmologische theorie van de exponentiële inflatie vlak na de Big Bang.
Nuttig gedachtenexperiment om kwantumzwaartekracht te ontdekken
Tegmark denkt daarom dat dit scenario niet uit zal komen, alhoewel het dus logisch volgt uit beide theorieën. Blijkbaar zit er volgens hem ergens een fout in hetzij de snelle uitzetting van het heelal, dan wel de kwantuminformatie-hypothese. Met dit gedachtenexperiment denkt hij een theoretische koevoet te hebben gevonden om de geheimen van kwantumzwaartekracht los te kunnen wrikken. Voor het andere “idee”, met absurd hoge snelheden proberen de Planck-energie te halen, moeten we een deel of zelfs het complete Melkwegstelsel ombouwen tot deeltjesversneller. Op zich geen gek plan, goed voor de werkgelegenheid de komende paar miljoen jaar, maar gezien de financiële moeilijkheden bij de EU en de Amerikanen zit dat er voorlopig nog niet in.
Heelal onthoudt alles Informatie gaat volgens de kwantummechanica niet verloren. Elk deeltje en krachtveld is verbonden met een golf. Dit is alles wat we mogelijkerwijs kunnen weten van dat deeltje of veld. Kennen we van elk deeltje de exacte kwantumtoestand (zo heet al die informatie samen), dan kunnen we het heelal volledig beschrijven. Tegmark stelde zich de vraag wat gebeurt in het heelal als dit snel uitzet. Immers: kwantummechanica is onverbiddelijk. Informatie kan niet ontstaan of verdwijnen in het niets.
Einde van de voorspelbaarheid?
Er gaan heel vreemde dingen gebeuren als het beperkte aantal quanta (de informatieinhoud) in het heelal over een steeds groter volume wordt uitgerekt, toonde Tegmark in zijn artikel[1] aan. Zijn redenering komt zonder wiskunde neer op het volgende. Elk stukje ruimtetijd, ook al is het leeg, bevat informatie. De aanwezigheid van zwaartekrachtsvervorming bijvoorbeeld maakt de lege ruimte hier op aarde anders dan die in de gapende leegtes tussen melkwegclusters. Zo verloopt de tijd hier trager. Om dit te beschrijven heb je informatie nodig. Kwantumtheoretici gaan doorgaans uit van de Plancklengte als elementaire eenheid van lengte. (Dit is overigens experimenteel al weer ontkracht, het is wel duidelijk dat de ware aard van ruimtetijd niets met naieve Euclidische meetkunde van doen heeft maar goed, daar komen we zo op). Stel je een kubusje van 1x1x1 Plancklengte voor. Of liever: een stukje oppervlak van 1×1 Plancklengte, het heelal is waarschijnlijk een hologram. Dit is volgens deze theoretici een elementaire informatiepixel, een qubit zo ge wil, van het heelal.
Neem maar genoeg van deze qubits, afgrijselijk veel, en op een gegeven moment heb je je heelal. Echter: het heelal zet uit. De elementaire informatie in de qubits is op een gegeven moment uitgesmeerd over een twee keer zo groot volume. Probleem. De Plancklengte blijft namelijk gelijk, dus zijn er nu twee keer zoveel elementaire pixels nodig. Er is dus informatie bijgekomen. En dat is strikt verboden volgens de kwantummechanica. We kunnen niet meer de toekomst voorspellen. Meer filosofisch ingestelde mensen zoals collega-visionair Niek vinden dit prachtig, maar dit brengt theoretici tot wanhoop. Kwantummechanica is namelijk de meest nauwkeurige natuurkundige theorie die er bestaat en een van de twee pijlers waarop de moderne natuurkunde berust.
Levende atoombom
Een andere optie is kwantummechanica intact te laten en aan te nemen dat het nieuwe volume geen nieuwe informatie met zich meebrengt. Met andere woorden: we kunnen het heelal tien miljard jaar geleden, of tien miljard jaar in de toekomst, met hetzelfde aantal bits beschrijven als nu. De makkelijkste manier om je dit voor te stellen is dat elke cel groeit. Er komt wel steeds meer lege ruimte, maar die ruimte wordt steeds korreliger. Op een gegeven moment is de lengte van een elementaire korrel bijvoorbeeld niet meer een Plancklengte (10-35 meter), maar die van de doorsnede van het proton (10-14 meter). Ter vergelijking: een proton zou bij deze vergroting dan zo groot als de aarde zijn. Uiteraard vinden de quarks in een proton dat niet leuk, het evenwicht in atoomkernen wordt totaal verstoord, dus er gaan dan heel grappige dingen gebeuren met atoomkernen. Grappig voor een buitenstaander althans, want veranderen in een levende atoombom is niet fijn om mee te maken.
Moet ik me bij een doomsday sekte aansluiten?
Een subtieler effect is het gedrag van licht. Als ruimte korreliger wordt, zullen zeer energierijke fotonen (die immers zo compact zijn dat ze heel weinig ruimte innemen) meer verstrooid worden en dus langzamer reizen dan zwakke fotonen. Precies dat effect is onderzocht bij gammaflitsen. Dat zijn extreem heftige energieuitbarstingen waarbij zeer energierijke gammafotonen vrijkomen. Is de ruimte inderdaad korrelig, dan moeten de energierijkste fotonen langzamer zijn dan de minder energierijke fotonen. Naar blijkt, bewegen deze precies even snel. De Plancklengte blijkt een hersenspinsel. We zijn een maar paar miljard jaar verwijderd van de voorspelde Big Snap, dus zou deze werkelijk optreden, dan zouden we de gevolgen hiervan merken. Dus wacht nog even met alles verkopen wat je hebt. En van het leven genieten is altijd een goed idee, trouwens.
Dus: of we zijn buitengewoon bevoorrecht dat we de dans zijn ontsprongen, of, waarschijnlijker, zit er een behoorlijke fout in onze theorieën. Ik persoonlijk denk dat die fout in het naieve denken over ruimtetijd schuilt. Planck-kubusjes bestaan niet.
Stel je bent een hoogbegaafde alien met reisplannen. Helaas voor je, ben je een octopus en is je thuiswereld een eindeloze oceaan. Naar uit recent onderzoek blijkt, hebben wij als aardbewoners de nodige mazzel gehad. Wat als intelligent leven op grote schaal voorkomt, maar de buitenaardse wezens niet in staat zijn van hun planeet te ontsnappen? Een aantal scenario’s.
Als een buitenaardse wereld nauwelijks metalen bevat, wordt het voor aliens moeilijk hun planeet te verlaten.
Om aan een planeet als de aarde te kunnen ontsnappen, moet een enorm hoge ontsnappingssnelheid bereikt worden (op aarde: 11,2 km per seconde) of moet het ruimtevaartuig tijdens de reis omhoog versnellen, bijvoorbeeld via een raket of elektromagnetische versnellingsrail. Om voldoende snelheid te krijgen moet er heel veel energie in een kleine plaats geconcentreerd worden. Dat vereist geavanceerde, sterke materialen, dus behoorlijk wat technisch vermogen.
Oceaanplaneet
Als een wereld geheel overdekt is met een oceaan, zijn intelligente ruimtewezens zwaar gehandicapt. Metaalbewerking en het bereiken van hoge temperaturen in het algemeen, is in een waterrijke omgeving vrijwel onmogelijk. Erg veel meer water dan nu is er niet voor nodig om een oceaanplaneet te vormen. De gemiddelde hoogte van het land op aarde is maar een paar honderd meter. De zeeën zijn gemiddeld 3790 meter diep. Als er tien procent meer water was geweest, waren er slechts enkele eilandjes geweest.
Metaalarme superaarde
Planeten en grote manen differentiëren bij hun ontstaan. Bij dit proces scheiden de zware en lichte bestanddelen van de planeet zich van elkaar. Het metaal zakt naar beneden, de kern in, terwijl lichter gesteente naar boven komt drijven en de mantel en korst vormt. Hoe groter de planeet, hoe sterker dit proces plaatsvindt. In feite zitten er van nature in de korst van de aarde nauwelijks zwaardere metalen dan aluminium en wat ijzer. Alleen door een meteorietenbombardement meer dan drie miljard jaar geleden is de aarde voorzien van metalen als goud en uranium.
Sterren onzichtbaar
Stel dat op een buitenaardse planeet de atmosfeer veel dichter is dan die op aarde of, wat ook kan, veel vochtiger. Sluierbewolking zou dan de sterren en in extreme gevallen zelfs de zon onzichtbaar maken. Er is zelfs veel kans dat wezens op een dergelijke planeet gebruik maken van geluid in plaats van licht, zoals vleermuizen op aarde of dolfijnen onder water. Een buitenaards wezen dat niet in staat is om sterren waar te nemen zal nooit de behoefte voelen op reis te gaan, of uit proberen te zoeken wat er achter de lichtjes schuil gaat.
Wat denken jullie? Hopeloze zaak? Of zouden er toch manieren zijn waarop ondernemende aliens kunnen ontsnappen van dit soort werelden?
Het is een kip of het ei probleem. Wat was er nou eerder, het melkwegstelsel of het superzware zwarte gat in het midden? Voor beide zijn er goede argumenten. Waarnemingen van zeer vroege melkwegstelsels hebben het pleit nu beslecht. Waarmee het volgende raadsel er om schreeuwt opgelost te worden…
Deze melkwegstelsels waren 'slechts' enkele miljarden jaren oud toen hun licht ze verliet. Ze blijken al over enorme centrale zwarte gaten te beschikken. Het is duidelijk: de zwarte gaten waren er het eerst. Maar waar kwamen die vandaan?
Zwart gat veroorzaakt melkwegstelsel
Elk bekend melkwegstelsel heeft een zwaar zwart gat in het centrum, dat fel opflikkert als het sterren of kosmische gaswolken opslokt. Zwarte gaten en melkwegstelsels hebben dus iets met elkaar te maken. Waarschijnlijk veroorzaakt het ene verschijnsel het andere. Maar waarmee begon het? Volgens sommige theorieën zorgt de ophoping van materie in het centrum van een melkwegstelsel er voor dat zich na verloop van tijd zoveel massa ophoopt, dat zich een zwart gat vormt. Volgens andere theorieën is het precies andersom en zijn melkwegstelsels als het ware de accretieschijven van de zwarte gaten in het centrum.
Het pleit lijkt nu beslecht. Er zijn nu vroege melkwegstelsels ontdekt uit het prille begin van het heelal, tien miljard jaar geleden. Het heelal was toen een kwart zo oud als nu. In deze melkwegstelsels is het zwarte gat in het centrum in verhouding tot de rest van het melkwegstelsel disproportioneel groot. Het melkwegstelsel is zo klein dat het niet de materie had kunnen leveren om het zwarte gat te vormen. De conclusie is onontkoombaar. Het zwarte gat is het kosmische ei, waar de kip van het melkwegstelsel uit tevoorschijn kwam.
Mini-melkwegstelsels
Geen erg grote kip trouwens. In die tijd waren melkwegstelsels nog heel klein, ongeveer zo groot als de Magalhaese Wolken, twee dwergstelsels die nu door ons melkwegstelsel worden opgeslokt. De studie waarop hoofdauteur Trump zich heeft toegelegd is onderdeel van CANDELS, de Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey en gebruikte een krachtig nieuw instrument op de Hubble Space Telescope. De “slitless grism” (vrij vertaald: een combinatie van een prisma met een raster, waarmee een breed beeld is waar te nemen) op de W3FC infraroodcamera van Hubble verschafte gedetailleerde informatie over verschillende golflengtes licht afkomstig van deze melkwegstelsels.
Waar komen de zwarte gaten vandaan?
Omdat de Hubble ruimtetelescoop onovertroffen nauwkeurig is, lukte het de astronomen om licht van zowel het midden (het zwarte gat) als de buitenkant (de schijf) te verzamelen. Ze ontdekten iets verrassends: de onmiskenbare vingerafdruk van een centraal zwart gat. Dit is de eerste keer dat dit ontdekt is. Tot dan toe zijn alleen zwarte gaten in grote stelsels (zoals dat van ons) ontdekt. Wat het volgende raadsel oplevert. Namelijk: waar komen die enorme zwarte gaten vandaan, en waarom vinden we ze niet in dwergstelsels in de buurt? Volgens de standaard kosmologische inflatiemodellen was de kosmos erg effen na de inflatiefase. Door welk merkwaardig proces zijn ze gevormd?
Wat is er met de zwarte gaten in dwergstelsels anno nu gebeurd?
Een mogelijkheid is dat deze melkwegstelsels de voorgangers zijn van de tegenwoordige zware melkwegstelsels zoals onze eigen Melkweg en buurstelsel Andromeda, aldus Trump. Volgens zijn collega Faber roept dit extra vragen op. Om zich anno nu te ontwikkelen tot grote stelsels, hadden de ministelsels veel sneller moeten groeien dan de huidige modellen toelaten. Als het dwergstelsels blijven, zouden de dwergstelsels van nu ook centrale zwarte gaten moeten hebben. Faber denkt daarom dat er zich een grote verzameling kleinere zwarte gaten in dwergstelsels bevindt, die nog niemand waar heeft genomen. Deze voorspelling is te testen. Dwergstelsels genoeg, bijvoorbeeld in de buurt van ons eigen melkwegstelsel. Wel zal dit lastig worden. Is dat dwergstelsel zeer arm in gas, dan valt er geen gas in het zwarte gat en geeft dat zwarte gat nauwelijks straling af.
Vraatzucht zwart gat leidt tot stervorming
Trump nam waar dat de dwergstelsels ongeveer tien keer zo snel sterren vormen als de Melkweg nu doet. Hij acht het mogelijk dat er een verband is tussen stervorming en actieve melkwegkernen (bijvoorbeeld quasars). Als er gas beschikbaar is om nieuwe sterren te vormen, kan dat gas ook het zwarte gat voeden, aldus hem. Verder bewijs voor het bestaan van zwarte gaten werd verkregen uit röntgendata van een andere ruimtetelescoop, Chandra. Beide waarnemingen richtten zich op 28 melkwegstelsels in een klein stukje hemel, het Hubble Ultra Deep Field. De data van alle 28 dwergstelsels werd samengevoegd om zo toch nog een statistisch significant resultaat te krijgen. Deze techniek wil het team later ook voor andere onderzoeken gebruiken. Waarnemingstijd op deze ruimtetelescopen is uiterst schaars en gewild. Naast Trump en Faber deden er daarom 27 anderen mee aan dit onderzoek.
Merkwaardige röntgenbronnen in de buurt van het centrale zwarte gat in het Melkwegstelsel kunnen alleen worden verklaard, door aan te nemen dat het hier om een soort ‘echo’ gaat. Zou dit misschien ook de Kleine IJstijd veroorzaakt kunnen hebben? Raadselachtige röntgenbronnen
Al meer dan tien jaar bestuderen astronomen verschillende raadselachtige bronnen van röntgenstraling in de buurt van het centrum van de Melkweg. De röntgenstraling is een raadsel, want het gas in de wolken waar deze door uitgezonden wordt is niet heet genoeg om röntgenstraling uit te zenden. Astrofysici staan dan ook voor een raadsel. Eén van de ideeën die nader worden onderzocht is dat de röntgenstraling een echo vormt van een eerdere, krachtiger bron die eerder is uitgebarsten. Inderdaad ontdekten onderzoekers dat het patroon waarop de bronnen opvlammen doet vermoeden dat het hier gaat om de echo’s van één krachtige bron, en zo zijn er meer aanwijzingen.
Er zijn meerdere processen die deze felle röntgenstraling op kunnen wekken. Zo zijn er dubbelsterren, bestaande uit een ‘normale’ ster en een compacte witte dwerg of neutronenster die gas van de ‘normale’ ster opslurpt. Hierbij komt extreem felle röntgenstraling vrij. Bij een dergelijke energieuitbarsting kan tot 1028 W vrijkomen. Dat is per seconde voldoende om de aarde van 3000 jaar zonlicht te voorzien. Bleek de intensiteit van de uitbarsting veel groter, dan is er maar één mogelijke verklaring: een uitbarsting van het zwarte gat in het centrum van de Melkweg zelf: Sagittarius A*.
Dader betrapt: Sagittarius A*
Masayoshi Nobukawa enm zijn collega’s aan de Kyoto Universiteit in Japan hebben het eerste ondubbelzinnige bewijs gevonden dat Sgr A* inderdaad verantwoordelijk is voor de uitbarstingen. Ze hebben met behulp van de Suzaku röntgensatelliet de intensiteit van de röntgenstraling van diverse wolken gemeten. Ze ontdekten iets interessants: de röntgenstraling van de wolken vertoont dezelfde afnamecurve, zij het dat deze onderling een paar jaar verschoven zijn. De meest logische verklaring: deze wolken zijn door dezelfde röntgenflits beschenen. Door het verschil in afstand zien wij verschillen van enkele jaren tussen verschillende wolken.
Ook berekenden Nobukawa en zijn collega’s dat bij deze uitbarsting 1032 watt vrijkwam: het vermogen van ongeveer honderdduizend zonnen, afgegeven in meerdere eeuwen. Dit is veel te veel om door een enkele ster of dubbelsterren veroorzaakt te zijn. De conclusie: Sagittarius A* moet verantwoordelijk zijn. Deze wolken bevinden zich op ‘slechts’ enkele honderden lichtjaar van Sgr A*, dus moet de uitbarsting de aarde van de veertiende eeuw tot de zeventiende eeuw in röntgenstraling hebben gebaad.
In de toekomst weer een uitbarsting?
Astronomen nemen nu waar dat Sgr A* röntgenstraling met een intensiteit van 1027 W uitstraalt en voortdurend kleine opvlammingen vertoont. Het is dus niet onlogisch, te veronderstellen dat wat in het verleden gebeurd is, zich ook in de nabije toekomst zal herhalen. maar zelfs als dat gebeurt, zullen we alleen indirect via echo’s kunnen waarnemen wat er precies gebeurt. We kunnen Sgr A* namelijk slecht rechtstreeks waarnemen.
Kleine IJstijd veroorzaakt door Sgr A* ?
Ongeveer in deze tijd, van halverwege de zestiende eeuw tot halverwege de negentiende eeuw, daalden de temperaturen op het noordelijk halfrond sterk. Uit deze tijd dateren de bekende schilderijen van oud-Hollandse meesters met wintertaferelen. De grote rivieren vroren geregeld dicht.Volgens een theorie van de Deense klimaatscepticus Henrik Svensmark is kosmische straling verantwoordelijk voor het vormen van wolken. Als een geladen kosmisch deeltje de atmosfeer raakt, worden her en der in zijn pad moleculen geïoniseerd, d.w.z. gestript van één of meerdere elektronen. Deze geladen deeltjes vormen een ideale aanhechtingsplaats voor watermoleculen, waardoor kleine mistdruppeltjes ontstaan en een wolk wordt gevormd. Geen onlogische theorie: zo werkt een nevelvat met oververzadigde damp immers ook. Wolken weerkaatsen veel zonlicht – kijk voor de grap eens naar beneden als je weer in een vliegtuig zit – dus zorgen voor afkoeling.
Als de aarde in een gigantische röntgenvloed werd gebaad, moet dat (als de omstreden theorie van Svensmark klopt) tot veel wolkenvorming, dus een flinke afkoeling hebben geleid. Precies wat er tijdens de Kleine IJstijd in het noordelijk halfrond is gebeurd. Röntgenstraling bestaat weliswaar uit fotonen en niet uit geladen deeltjes, maar is wel krachtig genoeg om elektronen los te slaan uit moleculen en wordt dan ook eveneens tot de ioniserende straling gerekend.
Een probleem met deze verklaring is de time lapse van twee eeuwen. Wel ligt Sgr A* in het sterrenbeeld Boogschutter, dat precies in de wintermaanden overdag boven de horizon staat. Als door de straling van Sgr A* overdag de wolkenvorming werd vergroot, zal dat de ernst van de winters sterk hebben vergroot. Misschien was sprake van een naijleffect, waarbij de vroege wolkenvorming en afkoeling nog werd gecompenseerd door het immense aardse warmtereservoir. Of kwam bij de uitbarsting ook andere kosmische straling vrij, bijvoorbeeld muonen, die massa hebben en iets langzamer dan de lichtsnelheid reizen.
Een mysterieuze invloed laat het heelal steeds sneller uitzetten. Ook, is na grondige statistische analyse gebleken, blijkt die uitzetting in sommige richtingen sneller te verlopen dan in andere richtingen. Van het mooie, symmetrische heelal dat kosmologische theorieën ons voorspiegelen, blijft nu onze waarnemingstechnieken steeds beter worden, steeds minder over. Wat is hiervan de verklaring?
Het heelal heeft volgens de nieuwste theorieën wel wat weg van een dessertglas. Na de snelle uitzetting in het prille begin nam de uitzetting weer af, om nu weer te versnellen.
De geschiedenis van het heelal, in een notendop
Eerst was er niets, en toen iets. Over wat er de allereerste fracties van seconden gebeurde, verschillen de meningen nog enorm. De mainstream denkt dat het heelal extreem snel uitzette en dat het vacuüm explodeerde in materie en energie: inflatie. Beter bekend is wat er daarna gebeurde. Het heelal zette snel uit en daarbij nam de temperatuur af. Er vormde zich iets meer materie dan antimaterie. Dit restje materie overleefde de onvermijdelijke annihilatie van materie en antimaterie. De rest is nu kosmische achtergrondstraling, sterk verdund door de enorme uitzetting van het heelal. Vierhonderdduizend jaar na de Big Bang werd de energiedichtheid laag genoeg om de vorming van atomen mogelijk te maken. Het heelal was vanaf die tijd doorzichtig; voor die tijd vingen de vrije elektronen voortdurend lichtdeeltjes op en verstrooiden ze.
Toen, om nog onbekende reden, vormden zich reusachtige zwarte gaten die een draaikolk van gas om zich heen verzamelden – de eerste melkwegstelsels. Daarin vormden zich de eerste sterren. Het heelal is dan 100 miljoen jaar oud. De oudste stelsels waren dwergstelsels met misschien een honderdste van de massa van ons melkwegstelsel. De zwaartekracht remde de uitzetting van het heelal steeds meer af. Gedurende bijna acht miljard jaren bleef dit in grote lijnen zo doorgaan.
Donkere energie sloeg vijf miljard jaar geleden toe
Toen, vijf miljard jaar geleden, iets voor de tijd dat zich de aarde en de rest van het zonnestelsel vormde, gebeurde er iets heel vreemds. Het heelal begon om onbekende reden weer versneld uit te zetten. Het gevolg is onder meer dat de stervorming stokt. Ons melkwegstelsel is aan het afsterven, omdat er steeds minder gas uit de snel ijler wordende intergalactische ruimte binnenstroomt voor nieuwe stervorming. Bij gebrek aan een betere term noemen kosmologen dit verschijnsel donkere energie. Men is er nog niet uit of het wordt veroorzaakt doordat de constante lambda in Einsteins vergelijking niet nul is, of omdat er een ijl energieveld, quintessence, actief is[1]. Het pleit lijkt richting quintessence of een andere niet-uniforme oorzaak te verschuiven, omdat er onregelmatigheden zijn aangetroffen. De uitzetting gaat namelijk in sommige richtingen sneller dan in andere. Samengevat: we hebben dus iets te maken dat asymmetrisch is in de ruimte en in de tijd. Op de een of andere manier lijken we ons bijna (maar niet helemaal) in het midden van een zich snel uitzettende plek te bevinden.
Dergelijke plekken zijn er meer. Waarnemingen aan de kosmische achtergrondstraling wijzen uit dat er zeer grote ‘hetere’ en ‘koelere’ plekken zijn, verspreid over het heelal. Deze plekken zijn door sommige kosmologen gekoppeld aan een controversieel idee: andere heelallen hebben toen ze zich uitzetten mogelijk het onze geraakt. Wat als dit met ons deel van het heelal gebeurd is? De snelle uitzetting heeft ook positieve kanten. Nu de gastoevoer sterk is verminderd, worden er ook veel minder zware sterren gevormd, die exploderen als supernova en een dodelijke gammaflits afgeven. Zou het leven zich kunnen hebben ontwikkelen doordat het melkwegstelsel zich in haar nadagen bevindt?
Een van de fundamenten van de moderne astrofysica is het kosmologische principe: het denkbeeld dat waarnemers op aarde ongeveer hetzelfde op grote schaal waarnemen als waarnemers op andere plekken in het universum. Inderdaad zijn er veel waarnemingen die dit idee ondersteunen Zo ziet het heelal er min of meer hetzelfde uit in alle richtingen, hoe we ook kijken. Maar misschien keken we helemaal niet goed, althans: stelden we niet de juiste vragen, blijkt nu.
Supernova's type 1a ontstaan omdat een (uitgebrande) witte dwergster gas van een nog niet uitgebrande begeleider-ster opslokt tot de kritische massa wordt overschreden. Deze ontploffing heeft een precies bekende hoeveelheid grootte. Daardoor kan je aan de lichtintensiteit en de roodverschuiving precies bepalen hoever het melkwegstelsel waar de supernova in voorkomt, van ons afstaat.
Supernova als kosmische meetkaars
De laatste jaren, nu er meer en scherpere waarnemingen binnenkomen dan ooit tevoren, komen er scheurtjes in dit beeld. Al eerder schreven we we over. Sommige kosmologen wijzen op het gedrag van type 1a supernova’s, ontploffende witte dwergsterren (wat weer witgloeiende, uitgebrande resten van sterren zijn, zo groot als de aarde maar met de massa van een ster).
Bij nova’s lekt er een kleinere hoeveelheid waterstofgas van een buurster op een witte dwerg, tot de kritische waarde bereikt is voor kernfusie van helium en er een enorme explosie komt: de heliumflits, die de nova oplevert. Bij een supernova type 1a ontploft niet alleen de gasschil, maar de complete witte dwergster in een allesverwoestende thermonucleaire ontploffing, een waterstofbom zo groot als een kleine ster. Vergeet niet: alles wat lichter is dan ijzer kan nog fuseren en een witte dwergster bestaat uit zuurstof en magnesium. En dat gebeurt dan ook als de grens overschreden wordt. In een paar seconden. Geloof me, dan wil je echt op heel veilige afstand zitten, honderden lichtjaren tenminste. Of je moet kicken op bruine smog en regens van salpeterzuur. Deze ontploffingen zijn zo fel dat de complete ster verdampt. Gedurende enige tijd wordt de complete melkweg waar ze deel van uitmaken overstraald en zijn dus erg bruikbaar om afstandsbepalingen te doen. Gelukkig zijn deze ontploffingen nu heel zeldzaam, maar miljarden jaren geleden kwamen ze veel vaker voor.
Heelal zet onregelmatig uit
Deze verre explosies lijken niet alleen van ons af te bewegen, maar zelfs steeds sneller van elkaar af te bewegen. Het opvallende is dat deze versnelling niet in alle richtingen gelijk is, maar in sommige richtingen veel sneller gaat dan in andere. Van ons beeld van een mooi symmetrisch heelal blijft dus steeds minder over. Maar klopt de statistische analyse wel? Al eerder is bij heel veel wetenschappelijke takken van sport gebleken dat bij een grotere steekproef ‘significante’ effecten als sneeuw voor de zon verdwijnen. Denk aan het Higgsdeeltje waar steeds sporen van op zouden duiken waar achteraf niets van blijkt te kloppen. Daarom hebben Rong-Gen Cai en Zhong-Liang Tuo van het Key Laboratory of Frontiers in Theoretical Physics van de Chinese Academy of Sciences in Beijing de data van 557 supernovae door het hele universum heronderzocht en de getallen door een programma gehaald.
Nu eindelijk hard bewijs
Deze keer klopt de statistiek wel. Er is inderdaad een eenduidig resultaat. Het heelal blijkt in een bepaalde richting veel meer uit te zetten dan in andere richtingen. De uitzetting in het snelst richting in het sterrenbeeld Vulpecula (Vos) op het noordelijk halfrond. Dit komt overeen met andere analyses, waaruit al eerder bleek dat het heelal een voorkeursas heeft in de kosmische achtergrondstraling. Als het heelal in een bepaalde richting meer uitzet, zal het in die richting ‘koeler’ lijken. Kortom: het kosmologisch principe, en daarmee heel wat kosmologische theorietjes over een symmetrisch heelal en een scalair uitzettingsveld kunnen nu op de schroothoop of moeten drastisch herzien worden.
En er komt een spannende uitdaging te liggen. Waarom heeft het Universum een uitzettingsas en hoe modelleren we dat? Een pittige klus. Wat zijn jullie ideeën?
Woestijnplaneten, die veel weg hebben van de planeet Arrakis in de science fiction klassieker Duin, of Tatouine uit de Star Wars-cyclus, zijn waarschijnlijk het meest voorkomende type bewoonbare planeet in de Melkweg, aldus onderzoekers. Ook was Venus volgens hun onderzoek slechts één miljard jaar geleden nog een bewoonbare woestijnplaneet. En loopt het voor de aarde minder akelig af dan tot nu toe vermoed.
Zonder water geen leven
Water is absoluut noodzakelijk voor leven. De zoektocht naar leven elders in het universum heeft zich grotendeels geconcentreerd op waterrijke oceaanwerelden met heel veel vloeibaar water op hun oppervlak. Je kan dan denken aan grotendeels met een oceaan overdekte planeten, zoals de aarde, of nog nooit aangetroffen planeten met een honderden kilometers dikke laag water. Een soort ontdooide versie van Jupiters ijsmanen Ganymedes en Europa, zeg maar.
Om bewoonbaar te zijn moeten planeten zich in een “Goudlokjeszone” bevinden, genoemd naar de hoofdpersoon in een sprookje die haar pap niet te heet of te koud wilde. Te ver van de zon verandert een planeet in een ijsbal, zoals de manen van Jupiter. Te dicht bij de zon verandert een planeet in een verschroeiende hel zoals Venus of de door de zon geblakerde Mercurius. Te dicht bij de zon verdampt er zoveel water dat er een zeer sterk broeikaseffect ontstaat. De waterdamp valt door de zonnestraling uiteen in waterstof en zuurstof. Waterstof is te licht om vastgehouden te worden door de planeet, de zuurstof reageert met de koolstof in de korst tot kooldioxide of wordt opgeslokt door het ijzer, silicium en aluminium in de korst.
Woestijnplaneet Arrakis blijkt vaker voor te komen dan voor mogelijk werd gehouden
De onderzoekers werden geïnspireerd door Dune, het door science fiction schrijver Frank Herberts bedachte epos. Hierin terroriseren honderden meters lange zandwormen een woestijn zo groot als een planeet en produceren de in Herberts fictionele universum zeer gewilde specie, een goedje dat telepathische vermogens opwekt en het leven verlengt. Planetoloog Kevin Zahnle noemt Arrakis een buitengewoon goed uitgewerkt voorbeeld van een woestijnplaneet. Op Arrakis, in feite een warmere en grotere versie van Mars, zijn alleen de polen leefbaar met misschien hier en daar een kleine oase.
Heeft de eerste ontdekte bewoonbare exoplaneet meer weg van Arrakis dan van de aarde?
De bewoonbare zone in ons zonnestelsel, vergeleken met die van het rode-dwergsterretje Gliese 581 is op de afbeelding rechts te vinden.
Volgens de onderzoekers zorgt de schaarste van water op een woestijnplaneet, dat deze minder kieskeurig is wat betreft de afstand tot de ster dan een waterrijk lustoord. Een landplaneet heeft bijvoorbeeld minder water dat kan bevriezen tot ijs of sneeuw, die zonlicht terugkaatst. Inderdaad is dit een berucht effect van grote ijsmassa’s en de reden dat ijstijden zo lang duren. Volgens de onderzoekers absorbeert de bodem van de planeet meer zonnehitte en maakt dit ook koudere regionen dan anders nog leefbaar. Het gebrek aan waterdamp betekent ook dat dit krachtige broeikasgas ontbreekt en dus in theorie minder hitte vast houdt. Dit sluit volgens de onderzoekers uit dat zich een broeikaseffect ontwikkelt. Ook betekent minder waterdamp ook minder water dat door UV-straling in waterstof en zuurstof gesplitst kan worden.
In hun model gingen Yutaka Abe van de Universiteit van Tokyo met Zahnle en hun collega’s aan het rekenen met een aantal simpele driedimensionele klimaatmodellen voor aardachtige planeten. Voor hun simulaties van landplaneten lieten ze de aardse daglengte, luchtdruk en kooldioxidegehaltes onveranderd, maar verwijderden oceanen en plantengroei. Alleen grondwater diep onder de grond bleef behouden. Een verrassende uitkomst: de bewoonbare zone voor een landplaneet is maar liefst drie keer groter dan die voor een oceaanplaneet. Hun conclusie: de eerste bewoonbare exo-aarde die we vinden zou wel eens meer weg kunnen hebben van een bovenmaatse woestijn dan van de Stille Oceaan.
Hoewel er op een woestijnplaneet onvoldoende te eten is voor zandwormen, kloppen veel van Herberts voorspellingen over woestijnplaneten wel aardig.
Woestijnplaneet blijft in veel groter gebied leefbaar
Ze ontdekten ook dat een waterplaneet in een ijsbal verandert als de hoeveelheid zonlicht onder de 72% tot 90% van dat van de aarde vermindert (afhankelijk van de stand van de draaias). Landplaneten bleken veel beter bestand tegen bevriezing. Pas als de hoeveelheid zonlicht daalde onder de 58% tot 77%, bevroor de woestijnwereld. Dit effect rekte de bewoonbare zone enorm uit. Als een woestijn-aarde zich op de plek van Mars had bevonden, met 44% van de aardse hoeveelheid zonnestraling, was de planeet met een wat sterker broeikaseffect dan hier, nog bewoonbaar geweest.
Woestijnplaneten blijken, wat minder verrassend wellicht, ook beter bestand tegen veel zon dan waterplaneten. Als de hoeveelheid zonlicht met 35% toeneemt is een waterplaneet zoals de aarde reddeloos verloren. Daarentegen kan de hoeveelheid zonlicht toenemen tot 170% van de aardse waarde, voor er geen plaats meer is waar vloeibaar water kan bestaan.
Zahnle denkt echter dat deze woestijnplaneten toch op de nodige punten verschillen van Arrakis. Zo zouden de poolstreken op een woestijnplaneet aanmerkelijk leefbaarder zijn dan op Arrakis – kleine stroompjes, meertjes en dergelijke zouden veel voorkomen. De planeten zijn te ontdekken door te letten op hun vrije-zuurstofgehalte. Water komt op veel plaatsen in het universum voor, dus is minder geschikt om leven te vinden, stelt Zahnle. Hij denkt daarom dat er eerder bewoonbare woestijnplaneten worden gevonden dan waterwerelden. De woestijnplaneten kunnen dichter bij de centrale ster staan, waardoor ze die eerder laten schommelen of voor de ster langs bewegen en zo sneller worden ontdekt.
Wordt de aarde een woestijnwereld?
Volgens onderzoekers zal ook de aarde zelf in een woestijnwereld veranderen. Elke miljard jaar wordt de zon negen procent helderder. De zonnestraling zal uiteindelijk het vloeibare water op de planeet splitsen in waterstof en zuurstof. De onderzoekers hebben echter een opwekkend bericht. De aarde blijft veel langer bewoonbaar dan gedacht. Waarschijnlijk zal de aarde aan het rampzalige broeikaseffect kunnen ontsnappen dat Venus in een hel veranderde. ‘Slechts’ een derde van de oceanen zal wegkoken voordat de zon in een rode reus verandert.
Was Venus ooit bewoonbaar?
Volgens de berekeningen van de wetenschappers is het antwoord hierop ja. Ze gingen er hierbij van uit dat Venus ooit over oceanen beschikte – waar het extreem hoge gehalte aan deuterium in het zwavelzuur in de atmosfeer van Venus inderdaad op wijst. Volgens de onderzoekers ging Venus door een periode waarin de planeet droog was, maar bewoonbaar.Venus kon zelfs tot een miljard jaar geleden een leefbare woestijnplaneet zijn geweest met vochtige polen en een geblakerde evenaar. Zijn we net een miljard jaar te laat geëvolueerd om Venus te koloniseren?
Een ster zo helder als de volle maan gedurende zeker een jaar. Dit spectaculaire vooruitzicht biedt de rode reuzenster Betelgeuze, die op ontploffen staat. De afgelopen vijftien jaar gebeurde er namelijk iets heel vreemds…
Betelgeuze: meer dan duizend keer zo groot als de zon
Sterren zijn er in allerlei groottes. De kleinste sterren waarin waterstof nog tot helium kan fuseren, rode dwergsterretjes, zijn ongeveer 0,05 zonsmassa groot en gaan zeer lang mee: duizenden miljarden jaren. Aan de andere kant van het spectrum staan de monsterachtig grote Wolf-Rayetsterren van boven de twintig zonsmassa’s, die na hooguit enkele miljoenen jaren met een vernietigende explosie ontploffen: een hypernova. Betelgeuze, de helderste ster in het sterrenbeeld Orion en daarom onder sterrenkundigen bekend als Alpha Orionis, is een ster die tien keer zo zwaar is als de zon. De ster staat op ongeveer vijfhonderd tot achthonderd lichtjaar afstand. Stond Betelgeuze op de plaats van de zon, dan zou de ster tot de omloopbaan van Jupiter reiken. Betelgeuze is dan ook een van de weinige sterren die zo groot is dat deze in middelgrote telescopen als een schijfje te zien is. Overigens is het gas van Betelgeuze zeer ijl. De ster bevat iets meer dan tien zonsmassa’s aan gas in een zeer groot volume.
Betelgeuze staat op ontploffen. Astronomen zijn er echter nog niet achter of dat in 2011 of pas na het jaar 100 000 is...
‘Reuzenster krimpt’
Uit astronomische waarnemingen blijkt dat Betelgeuze de laatste tien jaar tien tot vijftien procent in grootte is gekrompen. Volgens sommige astronomen gaat het hier om een periodiek verschijnsel. Andere astronomen denken dat de kernfusiereacties in de kern tijdelijk aan het stilvallen zijn tot de ster is overschakeld naar een zwaardere kernbrandstof – die veel sneller opbrandt door de hogere temperatuur. Betelgeuze is een rode reus. Dat betekent dat de waterstof al uitgeput is en de ster nu helium of een nog zwaarder element verstookt. We weten nog niet waar precies in deze cyclus Betelgeuze zich bevindt, omdat de buitenste laag, die we als enige kunnen zien, nog uit waterstof bestaat. Is dat element koolstof, zuurstof of neon, dan zou het einde wel eens snel kunnen komen. Iedere ster is een evenwicht tussen de stralingsdruk en de zwaartekracht. Valt de stralingdruk weg, dan stort de ster ineen tot er een nieuwe kernreactie op gang komt of een supernova ontstaat. Voor dit laatste is Betelgeuze zwaar genoeg.
Wat gebeurt er als Betelgeuze in een supernova verandert?
Als alle brandstof is opgestookt, begint de ster door de zwaartekracht ineen te storten. In tegenstelling tot een planeet, die ongestoord miljarden jaren zijn baantjes blijft draaien, botsen de gasdeeltjes in de ster voortdurend met elkaar en zendt de ster straling uit waardoor deze krimpt. Het gevolg is dat de ster snel ineenstort, waardoor de temperaturen extreem hoog oplopen – de vrijkomende zwaartekrachtsenergie – de buitenste lagen voor een deel in één klap opbranden en er een zware explosie ontstaat: de supernova. De felle kernreacties in de ster – er komen veel kortlevende radioactieve isotopen vrij – houden lang aan waardoor de ster gedurende een jaar zo helder is als de volle maan.
Betelgeuze kan over enkele maanden exploderen of pas over honderdduizend jaar. We weten het niet. Wel is de kans vrijwel één dat tussen nu en honderdduizend jaar in de toekomst de ster een supernova wordt. Gelukkig staat Betelgeuze ver van ons af. Had Betelgeuze dichter dan twintig lichtjaar bij ons gestaan, dan had de sterke gammastraling die dan vrijkomt, onze atmosfeer verandert in een verstikkende bruine smog van stikstofoxiden. Nu zullen we er weinig meer van merken dan een spectaculair gezicht in de nacht.
