Site pictogram Kuuke's Sterrenbeelden

Rode reuzen en de toekomst van de Zon

Een rode reus is een stervende ster in de laatste fases van de evolutie van een ster. Over ongeveer 5 miljard jaar zal onze Zon ook in een rode reus zijn veranderd en zullen de binnenste planeten Mercurius en Venus en mogelijk ook de Aarde worden opgeslokt.

De rode reus π1 Gruis. Astronomen hebben de Very Large Telescope gebruikt in combinatie met het PIONIER-instrument om de convectiecellen aan het oppervlak van de ster te bestuderen. Iedere cel is ongeveer 120 miljoen kilometer groot. Credit: ESO.

Wat betekent dit voor het licht in ons zonestelsel en anderen die erop lijken?

Het ontstaan van een reus

De meeste sterren in het heelal zijn hoofdreekssterren. Dit zijn sterren die in hun kern door middel van kernfusie waterstof omzetten in helium.

In de loop van hun “normale” leven compenseert de uitwendige druk van de kernfusie binnen hoofdreekssterren de inwendige druk van de zwaartekracht. Zodra de kernfusie stopt neemt de zwaartekracht het echter over en begint de ster samen te drukken.

Dit verhoogt de interne temperatuur van de ster en ontsteekt een schil van waterstof die rond de inerte kern brandt. Ondertussen blijft de heliumkern samentrekken en stijgt de temperatuur wat leidt tot een verhoogde energieopwekkingssnelheid in de waterstofschil. Dit zorgt ervoor dat de ster enorm uitzet en in helderheid toeneemt; de ster wordt een rode reus.

Rode reuzen kunnen opzwellen van diameters van 100 miljoen tot wel een miljard kilometer en dat is 100 tot 1000 keer groter dan de Zon tegenwoordig is. Omdat de energie van deze sterren over zo’n groot gebied is verspreid zijn hun oppervlaktetemperaturen eigenlijk relatief koel en bereiken ze slechts 2200 tot 3200 °C. dat is iets meer dan half ze heet als de zon. Deze temperatuurverandering zorgt ervoor dat sterren in het rodere deel van het spectrum schijnen en hoewel deze sterren er vaak meer oranjeachtig uitzien heeft dit geleid tot de naam “rode reus”.

De temperaturen in de kern van rode reuzen blijft echter stijgen naarmate die kern verder samentrekt en uiteindelijk niveaus bereikt waar helium kan fuseren tot koolstof. (Dit staat bekent als het drievoudige alfaproces omdat het drie helium-4 isotopen of alfadeeltjes omvat.) Als de ster minstens 2,2 keer zo zwaar is als de Zon is de ontsteking van helium naar koolstof een relatief geleidelijk proces. Maar voor minder zware sterren gebeurt dit met een explosieve flits.

Uiteindelijk raakt het helium in de kern op en stopt het fusieproces. De kern krimpt weer en een heliumschil net daarbuiten ontbrandt. Dit gebeurt op dezelfde manier als met waterstof kort nadat de ster door zijn voorraden van die oorspronkelijke brandstof heen was.

Deze ontsteking zorgt ervoor dat de buitenste lagen van de rode reus nog verder uitzetten terwijl de kern op zich blijft instorten. De ster wordt uiteindelijk ongelooflijk compact en verandert in een superdicht object dat bekend staat als een witte dwerg. Rond de tijd van deze overgang werpt de ster zijn buitenste lagen af middels enorme wolken van gas en stof. Deze wolken staan bekend als planetaire nevels. (deze misleidende naam werd gegeven door vroege astronomen die dachten dat deze objecten op planeten leken.) Deze schillen zijn veel groter en zwakker dan hun moedersterren.

Na ongeveer een miljard jaar als rode reus te hebben doorgebracht zal onze eigen Zon een witte dwerg worden en het grootste deel van zijn oorspronkelijke massa verpakken in een bol die ongeveer zo groot is als de Aarde. Dit lot wacht ook veel andere sterren. Alle sterren met een massa van minder dan acht zonsmassa zal veranderen in een witte dwerg.

Het scenario voor grote sterren aan het einde van hun leven is anders. Sterren met een massa van bijvoorbeeld acht tot veertig zonsmassa gaan door een “rode superreus”-fase heen. Hun kernen worden heet genoeg om koolstof te verbranden, wat onze Zon nooit zal doen, en ze sterven uiteindelijk in krachtige supernova-explosies. Als alles is gezegd en gedaan dan laten deze zware sterren een neutronenster of een zwart gat achter.

Kosmisch gezien gaat dit allemaal vrij snel want zware sterren jagen hun brandstof er heel snel door heen. Terwijl onze Zon bijvoorbeeld uiteindelijk gedurende ongeveer 10 miljard jaar waterstof in zijn kern zal laten fuseren putten sterren die rode superreuzen worden hun reserves in slechts 10 miljoen jaar of zo uit. En ze marcheren nog sterren door de andere stappen van hun latere leven.

Enkele van de helderste en bekendste sterren aan de nachtelijke sterrenhemel zijn rode superreuzen. Betelgeuze, de schouder van het sterrenbeeld Orion, is een rode superreus. Dat geldt ook voor Antares, de helderste ster in het sterrenbeeld Schorpioen.

Het bestuderen van rode reuzen

In de afgelopen jaren hebben astronomen een aantal relatief nabije rode reuzen beter kunnen bestuderen en hebben ze meer geleerd over hoe deze kolossen werken.

Zo onderzocht een internationaal tem van astronomen in 2017 het oppervlak van de rode reus π1 Gruis (in het sterrenbeeld Kraanvogel – Gruis). Ze deden dat met behulp van de Very Large Array van de ESO. Ze ontdekten dat de ster, die ongeveer 530 lichtjaar van de Aarde is verwijderd, slechts een paar convectiecellen heeft die elk ongeveer 1220 miljoen kilometer breed zijn. Ter vergelijking: de Zon heeft ongeveer 2 miljoen convectiecellen en elke cel is ongeveer 1500 kilometer breed.

In hetzelfde jaar gebruikten onderzoekers de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array radiotelescoop in Chili om de ster W Hydrae in het sterrenbeeld Waterslang – Hydra te bestuderen. Deze rode reus is ongeveer 320 lichtjaar van de Aarde verwijderd. Ze vonden een verrassen heldere compacte plek in de atmosfeer van de ster.

Volgens de betreffende astronomen suggereren de metingen van de heldere vlek dat er krachtige schokgolven door de atmosfeer van de ster gaan die hogere temperaturen bereiken dan wordt voorspeld door de huidige theoretische modellen.

Ook rode superreuzen komen iets duidelijker  in beeld. Betelgeuze in het sterrenbeeld Orion begon in de herfst van 2019 merkbaar zwakker te worden en had omstreeks februari 2020 ongeveer tweederde van zijn schijnbare helderheid verloren. Sommige astronomen dachten dat de ster aan zijn doodsstrijd was begonnen, de laatste stadia voordat hij in een supernova-explosie zou worden vernietigd.

Maar omstreeks april 2020 was Betelgeuze, die ongeveer 11 zonsmassa zwaar is en een diameter van ongeveer 900 keer de Zon heeft, echter weer helder geworden op zijn normale niveau. Het lijkt erop alsof het zwakker worden werd veroorzaakt door een kosmische stofwolk die tijdelijk tussen de ster en telescopen hier op Aarde kwam. Ook het intrinsiek afkoelen van de ster kan een rol hebben gepeeld, aldus astronomen.

De toekomst van de Zon

Over ongeveer 5 miljard jaar zal de Zon ook overgaan naar de rode reusfase. Wanneer de Zon uitzet zullen de buitenste lagen Mercurius en venus opslokken en mogelijk ook de Aarde bereiken. Wetenschappers debatteren nog over de vraag of onze planeet al dan niet zal worden verzwolgen of dat deze gevaarlijk dicht bij de rode gigantische Zon zal draaien. Hoe dan ook, het leven zoals we dat nu op Aarde kennen zal ophouden te bestaan.

Al lang voordat de Zon in een rode reus verandert zal het oppervlakteleven op onze planeet waarschijnlijk al zijn weggevaagd. Onze ster is in de loop van de eonen warmer geworden, zoals hoofdreekssterren met zijn massa nu eenmaal doen, en over een paar honderd miljoen jaar zal hij heet genoeg zijn om de oceanen te laten verdampen. Er blijft dus misschien niet veel over voor onze opgeblazen rode reuzenzon om te vernietigen.

Onze veranderende Zon kan echter een hoop bieden aan andere planeten. Wanneer een ster verandert in een rode reus verandert ook de bewoonbare zone van zijn thuissysteem. Dit is het bereik van de baanafstand waar vloeibaar water op het oppervlak kan bestaan. Omdat een ster ongeveer een miljard jaar een rode reus blijft kan het mogelijk zijn dat er leven ontstaat op een ver in een baan om de Zon draaiende planeten en manen die eindelijk wat warmte zullen krijgen.

Wanneer een ster ouder en helderder wordt beweegt de bewoonbare zone naar buiten en geef je in feite een tweede leven aan een planetair systeem. Momenteel zijn objecten in deze buitenste regionen van ons zonnestelsel de bevroren manen zoals Europa en Enceladus van Jupiter en Saturnus,

Deze periode zal echter relatief kort duren want als de Zon en andere kleine sterren krimpen tot witte dwergen dan zal dit levengevende licht ook weer verdwijnen. En supernova’s van grotere sterren kunnen andere problemen op het gebied van bewoonbaarheid opleveren.

Eerste publicatie: 23 januari 2022
Bron: space.com




Mobiele versie afsluiten