Wat is astrofysica?

sterrenstelsel

Astrofysica is een tak van de wetenschap die de wetten van de natuurkunde en chemie gebruikt om de geboorte, leven en dood van sterren, planeten, sterrenstelsels, nevels en andere objecten in het heelal te verklaren. Astrofysica heeft twee broertjes: astronomie en kosmologie. De grenzen tussen deze drie beginnen meer en meer te vervagen.

Kort door de bocht uitgedrukt:

  • Astronomie meet posities, helderheden, bewegingen en andere kenmerken.
  • Astrofysica stelt natuurkundige theorieën op van kleine tot middelgrote structuren in het heelal.
  • Kosmologie doet dit voor grote structuren en het heelal als geheel.

In de praktijk vormen de drie een hechte familie. Als je vraagt voor de positie van een nevel of wat voor licht die nevel antwoord dan zal de astronoom als eerste antwoorden. Vraag je waar die nevel van is gemaakt en hoe die is ontstaan dan zal de astrofysicus met een antwoord komen en als je wil weten hoe die gegevens passen in het ontstaan van het heelal dan zal de kosmoloog antwoord geven. Maar de onderzoeksgebieden lopen ondertussen dermate in elkaar over dat het ook goed mogelijk is dat ze dor elkaar heen beginnen te praten.

Doelen van de astrofysica

Astrofysici proberen het heelal en onze plaats daarin te begrijpen. Bij de NASA bijvoorbeeld is het doel van de astrofysica ontdekken hoe het heelal werkt, verkennen hoe het is begonnen en hoe het evolueert. Maar ook de zoektocht naar leven op planeten bij andere sterren hoort hier bij.

Volgens de NASA leiden deze doelen tot drie grote vragen:

  • Hoe functioneert het heelal?
  • Hoe zijn wij hier gekomen?
  • Zijn we alleen?

Het begon met Newton

Astronomie is een van de oudste wetenschappen die we kennen maar de astrofysica begon met Isaac Newton. Voor Newton beschreven astronomen de bewegingen van hemellichamen aan de hand van complexe wiskundige modellen die geen natuurkundige basis hadden. Newton toonde aan dat een enkele theorie zowel de banen van manen en planeten verklaard alsook de baan van een kanonskogel op Aarde. Dit leidde uiteindelijk tot de conclusie dat in de ruimte en op Aarde dezelfde natuurkundige wetten gelden.

Het grootste verschil tussen het model van newton en voorgaande modellen is dat het zowel beschrijvend als voorspellend is. Gebaseerd op afwijkingen in de baan van Uranus voorspelden astronomen de positie van een nieuwe planeet die inderdaad werd waargenomen en die Neptunus werd gedoopt. Een volwassen wetenschap is zowel beschrijvend als voorspellend en de astrofysica is dat.

Mijlpalen in de astrofysica

De straling die verre objecten uitzenden is de enige manier voor ons om ze te bestuderen en daarom heeft de astrofysica te maken met het afleiden van theorieën die de mechanismes die deze straling produceren kunnen verklaren.

De eerste ideeën over wat sterren precies zijn ontstonden in de 19-de eeuw toen men voor het eerst spectraalanalyses kon uitvoeren. Bij een spectraalanalyse worden specifieke golflengtes van licht bestudeerd die door bepaalde stoffen worden geabsorbeerd en weer worden uitgezonden als ze worden verhit. Nu nog steeds is spectraalanalyse belangrijk voor astronomie, kosmologie en astrofysica voor het testen en begeleiden van nieuwe theorieën.

De eerste spectroscopische waarnemingen leverden bewijs dat sterren bestanddelen bevatten die ook op Aarde voorkomen. Spectroscopie toonde aan dat sommige nevels volledig uit gas bestaan en dat andere nevels sterren bevatten. Dit hielp later bij het bevestigen van het idee dat sommige nevels eigen helemaal geen nevels waren maar sterrenstelsels.

Met behulp van spectroscopie ontdekte Cecilia Payne aan het begin van de jaren twintig van de vorige eeuw dat sterren voornamelijk uit waterstof bestaan (althans totdat ze op leeftijd komen). De spectra van sterren maakte het voor astrofysici ook mogelijk om daaruit de snelheid en de richting van de sterren te bepalen. Als gevolg van het Dopplereffect zal het spectrum van een ster veranderen als de ster naar ons toe beweegt of van ons af. In de jaren dertig van de vorige eeuw combineerde Edwin Hubble de Dopplerverschuiving en de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein voor een sluitend bewijs dat het heelal uitdijt. Dit wordt ook door Einsteins theorie voorspeld en samen vormen ze de basis voor de Oerknaltheorie.

In het midden van de 19-de eeuw stelden de natuurkundigen Lord Kelvin (William Thomson) en Gustav von Helmholtz dat ineenstorting als gevolg van de zwaartekracht er voor zorgde dat de Zon kan schijnen. Maar ze berekenden ook energie produceren op deze manier slechts 100.000 jaar zou kunnen. Vijftig jaar later gaf de beroemde E=m*c2 vergelijking van Einstein astrofysici de eerste aanwijzing naar wat de ware aard van energie zou kunnen zijn (alhoewel het ineenstorten als gevolg van zwaartekracht wel een belangrijke factor blijft). In de eerste helft van de twintigste eeuw ontwikkelden zich de nucleaire natuurkunde, kwantummechanismes en deeltjesfysica en werd het mogelijk om theorieën op te stellen over hoe kernfusie sterren kan doen laten schijnen. Deze theorieën beschrijven het ontstaan van sterren, hun leven en dood en ze verklaren met succes de verdeling van verschillende type sterren die we waarnemen. Ook verklaren ze de spectra, helderheden, leeftijden en andere kenmerken.

Astrofysica is de natuurkunde van sterren en andere verre objecten in het heelal maar astrofysica blijft ook dicht bij huis. Volgens de Oerknaltheorie bestonden de eerste sterren nagenoeg volledig uit waterstof. Het kernfusieproces dat hen aandrijft fuseert waterstofatomen tot het zwaardere element helium. In 1957 toonden de astronomen George en Margaret Burbidge samen met de astrofysici William Fowler en Fred Hoyle aan dat als sterren ouder worden ze steeds zwaardere elementen gaan vormen die ze, in steeds grotere hoeveelheden, doorgeven aan nieuwe generaties sterren.

Alleen sterren van de laatste generaties maken in het laatste stadium van hun leven de elementen aan waaruit de Aarde bestaat zoals ijzer (32,11%), zuurstof (30,1%), silicium (15,1%). Ook koolstof is een van deze elementen. Koolstof zorgt samen met zuurstof voor de bulk van alle levende dingen, waaronder ons zelf. Astrofysica vertelt ons dus dat we geen sterren zijn maar wel bestaan uit het stof van sterren.

Eerste publicatie:
Bron: space.com, A History of Astrophysics, The Glassmaker Who Sparked Astrophysics

https://www.space.com/26218-astrophysics.html