BETELGEUZE

Opgedragen aan Suzan Korthof, mijn ex-collega, van wie ik weet dat zij aan mij denkt zodra Betelgeuze aan de sterrenhemel verschijnt.

Thuispagina

Marathon 

1789

Karl Marx

Erathostenes

Don Giovanni

Betelgeuze

                                                                    

 Die ene, links boven, dat is hem. Als ik 's winters naar de sterrenhemel kijk is dat mijn favoriet. Hij staat in het sterrenbeeld Orion. Het is niet zo maar een ster. Nee, het is een z.g. RODE  SUPERREUS.   
 
 
 
Het sterrenbeeld ORION is een wintersterrenbeeld. Dat wil zeggen dat vanaf zeg maar oktober de opkomst van dit  sterrenbeeld te zien is.   Kijk, als het donker geworden is, naar het Zuid-Oosten. Kan niet missen.  De naam BETELGEUZE is afgeleid uit het Arabisch: YAD AL-DJOEZA, ofwel: hand van de reus. Na de teloorgang van de wetenschap in Europa ten tijde van de Middeleeuwen waren het de Arabieren die de kennis van o.a. de astronomie op een hoog peil verder ontwikkelden. Er zijn overigens meer sterren die een van oorsprong Arabische naam hebben, zoals Aledebaran, Antares.
In menig 'Westers' leerboek over de astronomie wordt William Herschel, met alle respect voor deze van oorsprong Duitse/Engelse  astronooom uit de 18e eeuw, genoemd als de 'ontdekker'  van Betelgeuze. Een schandalige miskenning van de astronomische kennis van de Arabische astronomen, die al 1000 jaar eerder deze ster 'ontdekt' hadden.

Eerst maar even enige astronomische gegevens over BETELGEUZE.     Afstand tot de Aarde            430 lichtjaren                                            Omvang                              750 maal de zon                               Massa                                Ong. 15 x zwaarder dan de zon                 Oppervlakte temperatuur       Ca. 3500 graden Celsius                         

Even wat mijmeren bij deze gegevens.                                                                    Wat de afstand in lichtjaren betreft betekent dit dus dat het licht  van BETELGEUZE , dat deze winter weer te zien was , aldaar vertrokken is omstreeks 1578 ( het is nu 2008). Dus toen de 80-jarige oorlog net 10 jaar bezig was.  Overigens: lichtsnelheid = ca. 300.000 km per seconde.                De omvang is het meest tot de verbeelding sprekend. Als BETELGEUZE de plek van de zon zou innemen zouden de planeten, vanaf de zon gerekend, Mercurius, Venus,  Aarde en Mars door BETELGEUZE zijn 'opgeslokt'.              Ook even, in mijn fantasie. Stel wij zouden allemaal op BETELGEUZE wonen en even willen telefoneren naar iemand aan de andere kant van deze 'planeet'.  Er zou zo ongeveer een kwartier overheen gaan voordat een bericht arriveert.                                                                                                                           Je zou verwachten dat de massa ( gewicht ) honderden keren dat van de zon zou zijn. Dat is niet zo. BETELGEUZE is vooral aan de buitenkant, om het zo maar te noemen, gasvormig en ijler dan de zon. De zon is compacter.

Daarom is de oppervlaktetemperatuur  van BETELGEUZE ook wat lager dan die van de zon. Die van de zon is om en nabij 5500 graden Celsius. Let wel, alleen aan de oppervlakte, want  binnenin  ?  Daar is het wel even anders.                                                                                                                             Vanaf hier geef ik temperaturen niet meer aan in graden Celsius maar  in K. K  komt van Kelvin. De temperatuurschaal van Kelvin is eigenlijk die van Celsius met dit verschil dat die van Kelvin begint bij het absolute nulpunt van - 273 graden Celsius. Kouder kan niet. Verder hoeft er bij Kelvin geen aanduiding van graden bij. Dus gewoon : K .

HOE ONTSTAAT EEN RODE SUPERREUS.        

Sorry, ik veronderstel nu een zekere voorkennis van natuurkunde en scheikunde. Ik ga desondanks  proberen de gang van zaken zo eenvoudig mogelijk uit te leggen. Met een soort gedachtenexperiment.        Stel, er is een ijle gaswolk in het heelal met een omvang van, nou laten we maar zeggen van hier tot aan BETELGEUZE. De wolk bevat watersofatomen, eentje per kubieke kilometer. Waterstof ziet er zo uit.


 

Om een kern, een positief geladen proton, cirkelt een negatief geladen deeltje, een electron. Even voor de duidelijkheid. Bovenstaande is een schematische voorstelling. Als het proton zo groot zou zijn als een knikker, dan is het electron nog  steeds maar een speldeknopje. Het electron heeft nl.  een massa van ca. 1/1800 ste van dat van een proton en de 'baandiameter'  in deze situatie is dan zo ongeveer 1000 meter.                        Het electron vliegt met razende snelheid om het proton heen, zodat naar buiten toe het atoom één geheel is.                               

Stel, dat er in die ijle gaswolk een botsinkje is tussen twee van die atomen. De kans is klein, maar het kan gebeuren. Het zijn twee neutrale deeltjes, stoten elkaar dus niet af. Door de werking van de zwaartekracht, die we van NEWTON kennen is er nu een duo gevormd. De kans dat er weer een botsinkje komt  met een derde waterstofatomm is alweer wat groter. Er is nu een trio. En zo gaat het maar door, miljoenen jaren. En hoe groter de cluster atomen wordt, des te groter ook de aantrekkingskracht die het uitoefent op passerende atomen. Het aangroeiproces gaat sneller en sneller. Ook de onderlinge botsingen nemen in aantal en sterkte toe. De zwaartekracht wil alles naar binnen trekken. Door de onderlinge botsingen wordt de temperatuur van het geheel steeds hoger en hoger. Dit zorgt voor een naar buiten gerichte kracht. Maar de zwaartekracht is nog steeds oppermachtig, geen enkel deeltje kan ontsnappen.  Ook de gasdruk in het inwendige stijgt naar duizenden atmosfeer, om die term maar even te gebruiken. De temperatuur ? Al lang de miljoen K gepasseerd. Ondertussen, bij deze temperaturen, is de gasbol aan het gloeien geraakt, vergelijkbaar  met een stuk ijzer dat in het  vuur wordt gelegd.   De atomen in de kern krijgen nu de ene opsodemieter na de andere; de electronschil de ene deuk na de andere. Tot het moment komt dat het electron zijn vaste maatje, het proton, vaarwel zegt en als dolgedraaid zijn eigen weg door de materie gaat zoeken. Nu knallen de protonen op elkaar. Het zijn deeltjes met gelijke lading, dus afstoting. Dat lukt nog wel, voorlopig. Maar de druk en de temperatuur blijft maar stijgen. De zwaartekracht is nog steeds genadeloos bezig. En dan, bij een temperatuur van 10 miljoen  K , gebeurt het.


Uit 4 van deze waterstof atomen ontstaat er onder deze omstandigheden ineens een andere ordening, een andere stuctuur van de samengebalde materie.

Opm.   De oorspronkelijke electronen zijn nog wel afgebeeld, maar de werkelijkheid is dus, dat onder  de hierboven genoemde omstandigheden van temperatuur en druk de electronen zich vrij bewegen door de hele massa.

Ik heb even opgezocht met wat voor snelheden we van doen hebben vlak voor het  'moment suprême'  van wat er komen gaat. De protonen scheuren rond met een snelheid van iets van 80 km per seconde. De losgeslagen electron zijn helemaal door het dolle heen. Snelheidsovertredingen tot     8000 kilometert per seconde zijn heel normaal.                        ( Eddington, 1926 )

Als de situatie echt onhoudbaar is geworden onstaat er dit.

                                                     HELIUM                                                               Ja, ja, kenners onder u, ik weet, in werkelijkheid loopt het proces via wat tussenstappen met zg. deuteriumkernen. Maar dit is het uiteindelijke resultaat.  Kernfusie van Waterstof naar Helium, dat is het.                                 Wat er zich heeft gevormd is een nieuw element, 4 kerndeeltjes op de plek waar in het allereerste begin er maar één was. Ruimtebesparing en........ drukontlasting.  Maar....  er waren toch eerst 4 protonen? En nu nog  maar 2.  En er zijn ineens 2 andersoortige deeltjes  aanwezig, neutronen.                      Heel goed.  Zonder verder ingewikkeld te doen: er zijn 2 protonen ontdaan van hun lading  en heten nu neutronen. Ze gaan  vanaf nu verder door het leven als neutrale deeltjes. Deze neutronen zorgen ervoor dat het de overgebleven 2 protonen niet lukt  elkaar af  te stoten. De 2 neutronen houden de boel dus bij elkaar.  En nog iets. Er waren aan het begin van deze nieuwe ordening 4 electronen , en in de structuur van dit nieuwe element zien we er maar 2.  Waar zijn de andere  2 gebleven ?      Weg ?      Ja, inderdaad .  WEG  . Foetsie      Bestaan niet meer.    De 2 verdwenen electronen zijn overgegaan in : ENERGIE.            En wel energie in de vorm van electromagnetische straling,  ZONLICHT.         En hoeveel dan wel ?     De heer A. Einstein berekende het volgende.

E = Energie. M = gewicht van de verdwenen massa. C = de lichtsnelheid van 300.000 km per seconde en dit getal nog een keer in het kwadraat.                  De energieopbrengst van dit procesje, waarbij materie (electronen) in het niets verdwijnt, is onvoorstelbaar gigantisch. Kijk naar de zon, want daar gebeurt het, al 5 miljard jaar. En, ter geruststelling,  zal nog wel 5 miljard jaar zo doorgaan.

Nu sla ik even een hele grote stap over en kom weer bij BETELGEUZE.         De omvang van deze deze ster ( zon ) is vele malen groter dan onze zon toen die begon te schijnen. Het soort grote geweldenaars als BETELGEUZE heeft de nare eigenschap dat ze nogal slordig omgaan met hun energieproductie. Dat wil zeggen dat ze veel eerder door hun brandstof  heen zijn.  Op een zeker moment is de waterstof in hun kern dus gewoon op, veel eerder dan bij onze zon. En aan de buitenste randen van de 'brandhaard'  zijn de omstandigheden van druk en temperatuur  nog niet of in mindere mate  gunstig dat  ook daar deze kernfusie op gang komt.                                          De naar binnen gekeerde krachten  ( zwaartekracht ) zijn er nog wel degelijk. De nu gevormde heliumkern krimpt maar door en dus opnieuw, stijging van temperatuur en druk . Tot  iets van 100 miljoen K.                                                 Alweer gedonder in huis. Wat nu ?                                                                            Er is maar één oplossing. Nieuwe kernfusie . Inderdaad.                                    Om even tientallen jaren kwantummechanica, natuurkunde en evenzoveel Nobelprijzen samen te vatten in één zin. Uit 2 heliumkernen ontstaat een nieuwe kern, namelijk die van koolstof , met 8 kerndeeltjes.                                Is het nu afgelopen ? Welnee. het gaat in rap tempo verder. De brandtijd van de tweede fusie was al een stuk korter dan de eerste. Deze is nog korter. En nu staat er in de kern alweer een derde te popelen van ongeduld om uit de startblokken te vertrekken.  Daar gaat ie dan. Volgende element graag,  zuurstof.   Zijn we er al.?  Nee hoor,  nog eentje silicium. Temperatuur inmiddels tegen de miljard K.  En stijgende.

De steeds hoger wordende temperatuur heeft  behalve het steeds weer opnieuw op gang brengen van nieuwe kernfusies ook nog een neveneffect.  Het ondersteunt de naar buiten gerichte krachten. Iets dat warmer wordt is onderhevig aan uitzetting, laten we het daar maar op houden. Dat betekent dus dat  de buitenste schillen van de ster naar buiten gedrukt worden. Kortom, krimpende kern, grotere omvang. Steeds nieuwe evenwichten in de temperatuur- en drukverdeling. Daarom is BETELGEUZE zo groot.  Één en ander heeft tot gevolg dat aan het oppervlak de temperatuur  een dalende tendens ondervindt.  Nu moet ik maar even veronderstellen dat het u bekend is dat in het spectrum ( de regenboogkleuren) van het zichtbare licht een 'koeler'  licht  meer van de rode spectraallijnen bevat. Vandaar : het licht van BETELGEUZE is roodachtig.  Et voila, wat hebben we gekregen ?  Jawel, de RODE SUPERREUS.                                                                                                                                          Nu is het aardige dat in het sterrenbeeld Orion  een ster staat , rechtsonder, met de naam RIGEL. Dit is een zg. Blauwe Superreus, want die zijn er ook. De oppervlaktetemperatuur  van RIGEL  is 11000 K. Hoe heter, des te meer blauwe lijnen.  RIGEL  is nog net niet wat je zou kunnen zeggen witheet.     

Verder nu met de ster uit het gedachtenexperiment.                                              In zijn kern is al een tijdje die silicium kernfusie aan de gang.   Wat komt er na het silicium ? Welnu, het volgend element is ijzer. Maar dan is de ster ten dode opgeschreven. Hierboven staat al, de brandtijd van de opeenvolgende fusies worst steeds korter. De ijzerfusie duurt slecht een dag. Dan is het echt einde verhaal.  Uit het gevormde ijzer kunnen geen nieuwe fusies beginnen om de eenvoudige reden dat alle voorgaande fusies meer energie opleverden dan dat dat ze kosten.  Vanaf het element ijzer is dit niet het geval, kernfusie vanaf hier kost daar alleen maar energie. De temperatuur ? Inmiddels vele miljarden K. en stijgende.  Desondanks, geen volgende kernfusie.   En dan gebeurt het volgende spektakel. De hele ijzerkern stort in een flits in elkaar onder de vorming van, waar we mee begonnen waren, het  zogenaamde  alpha-Helium  en ineens is weer veel ruimte vrij gekomen voor de drukontlasting.De instortsnelheid is enorm, en de terugkaatssnelheid idem dito. De hele ster is in een flits uit elkaar gespat. De complete gasbol wordt de ruimte in geschoten en tevens een niet  te omvatten hoeveelheid stralingenergie.  Ik denk dat er geen literator ter wereld bestaat om te beschrijven welke onvoorstelbare krachten er ineens vrij komen. Deze happening heet  SUPERNOVA.  De weggeslingerde materie vormt gaandeweg een fraaie nevel.

Heeft de mensheid dit verschijnsel aan het firmament wel eens waargenomen. Jazeker. Hieronder het allerbekendste voorbeeld.

                                                        KRABNEVEL

Foto genomen door de Hubble Spacetelescoop.                                                    De supernova werd op 4 juli 1054 waargenomen door Chinese astronomen die plotseling een object aan de sterrenhemel zagen met een lichtkracht zoals die van de helderste op dat moment bekende ster. Een supernova, heel ver weg. De lichtkracht werd geleidelijk aan minder door , zoals we nu weten, de uitdijende gaswolk en verdween uiteindelijk,  zodat er na verloop van tijd niets meer te zien was.   Maar let even op de afstand van de Krabnevel, zoals hij later werd genoemd: 6500 lichtjaar. De Chinese astronomen namen dus iets waar dat zich in werkelijkheid in het stenen tijdperk had afgespeeld.
 We gaan nu even wat leuks doen. Eindexamenopgave HAVO natuurkunde 2008.  De straal van de Krabnevel is momenteel 5.5 lichtjaar. Hoe groot is de uitdijingssnelheid ?                                                                                                      Het is 954 jaar geleden dat de Krabnevel ontstond. De snelheid van de buitenste delen wordt dan  5,5 /  954 ste deel van de lichtsnelheid. Dus:           5,5 /  954   x  300.000  =  1729,5 km per seconde. Vergelijk even als je op vakantie gaat  b.v. naar de Costa del Sol. Spullen inpakken en huppakee met de  'Krabnevel'  snelheid vertrekken. Eén seconde, vanuit Nijmegen, en je bent er al.  

Eenzelfde lot, dus als supernova explosie die de Krabnevel heeft gevormd,  wacht ook BETELGEUZE. Het is echt gebeurd met hem. Het kan morgen gebeuren, maar ook over 50.000 jaar.   Als ik schrijf morgen, dan is is dus de werkelijke knal al 430 jaar geleden gweest. Het licht doet  er namelijk zo lang over. Maar wat we dan te zien krijgen ?  Spektakel. Een object met een lichtkracht volgens verwachting zoals de Maan.                                                Dus, nu dit alles wetende. Vanaf oktober  allemaal naar BETELGEUZE kijken en er een beetje bij mijmeren. Toe dan, toe dan, knallen. Ik sta niet voor niets hier in de kou te kijken.  Doe eens wat.                                                                     Maar vooralsnog zal  BETELGEUZE  het vertrouwde herkenningspunt blijven, ver weg, met een  gloeiend kolkende kern, vol helse oerkrachten.

WAT DOEN WE MET DEZE KENNIS ?

Voor mezelf als amateurtje in de astronomie is deze kennis een kleine kick. Min of meer als beloning voor de moeite die ik gedaan heb om dit soort wetenschap een beetje te doorgronden. Momenteel doe ik niets meer aan nog verdere uitbreiding van kennis, afgezien van hier en daar wat leuke dingen die in de krant of een tijdschrift staan. Het heeft mijn innerlijk gedachtengoed een enorme verrijking gegeven door van iets op honderden lichtjaren afstand te weten wat zich daar in het binnenste afspeelt. Verder is het mij te moeilijk geworden; dus ook weten waar voor jezelf de grens ligt.       Voor de echte wetenschap is de verworven kennis en inzicht natuurlijk een kroon op het vernuft en de nieuwsgierigheid van de mensheid. Alle dingen op, onder, boven en in de natuur te ontraadselen en te verklaren.  Ik ga er maar verder niet filosofisch over doen.                                                                    Al tientallen jaren wordt er research gedaan om de onvoorstelbare energiebron van de kernfusie  tot iets bruikbaars te transformeren. In Frankrijk wordt momenteel in internationaal verband een soort proeffabriek gebouwd. Het zal nog wel tientallen jaren duren voordat voldoende kennis verzameld is om de enorme practische problemen te overwinnen. Want het is dus niet zo dat er zomaar een hoeveelheid waterstof uit een cylindertje eventjes wordt samengeperst  en verwarmd tot 10 miljoen K en klaar.            De wetenschap staat voor het heetste vuur van zijn bestaan, maar geeft zich nooit gewonnen.

Mijn stelling is dus:  Kernfusie als energiebron ?  Dit gaat lukken. De resultaten zullen er zijn voordat BETELGEUZE  zelf uit elkaar knalt .

Tot slot een ontwerp bouwplan van de ITER , zo gaat het gevalletje genoemd worden. Voor mij: Het kleine BETELGEUSJE.                                                         Dat figuurtje rechtsonderaan ben ik. Klaar om de aan/uit schakelaar te bedienen.