Kinderlezingen

‘Als jullie ’s nachts buiten zijn, kun je - als het niet bewolkt is - heel veel sterren zien,’ begint Watts. ‘Als je heel lang kijkt, kun je sterren zelfs zien verdwijnen en verschijnen!’ Sommige sterren bestaan al heel lang, zoals de sterren van sterrenbeelden. Sommige sterrenbeelden zijn al duizenden jaren bekend bij de mens. Watts gaat het vandaag hebben over de geboorte, het leven en de dood van een ster. En over het na-leven van de sterren.

Oude vis

Om erachter te komen hoe oud een ster kan worden, is het belangrijk om meer te weten te komen over leeftijd. Watts vraagt de kinderen hoe oud ze zijn, hoe oud hun ouders zijn en wat de leeftijd is van hun opa en oma. De leeftijden lopen op van 8 tot 83 jaar. ’De oudste mens was een Franse vrouw,’ vertelt Watts dan. ‘Zij is gestorven toen ze 122 jaar was.’ Dieren kunnen ouder worden dan mensen. Watts laat een plaatje zien van een koikarper. ‘Dit is Hanako uit Japan, die is wel 225 jaar oud geworden!’

Bomen kunnen nog ouder worden dan mensen en dieren, laat Watts zien. We zien een boom in Wales in het Verenigd Koninkrijk. Die is wel vier- tot vijfduizend jaar oud. En het wortelstelsel van de Pando-familie, een groep bomen in Utah in Amerika, is 80.000 jaar oud! Gevonden dinosaurusbotten dateren zelfs van 66 miljoen tot 250 miljoen jaar geleden. Met al deze leeftijden, maakt Watts een piramide. Met bovenin de mensen, tot onderin de dinobotten. ‘Waar zitten de sterren in deze piramide,’ vraagt Watts. Een jongen weet het: ‘Helemaal onderin, ze worden wel miljarden jaren oud!’

Wat ís een ster eigenlijk?

Om de leeftijd van een ster te kunnen bepalen, moeten we volgens Watts eerst weten wat een ster nou precies is. ‘Een ster is een bal van gloeiend hete gas, die veel straling afgeeft: radiogolven, röntgenstraling en licht,’ vertelt de astrofysicus. Ze neemt de kinderen mee naar de geboorteplaats van de sterren: de nebula. We zien een gloeiende wolk van gas en stof in de ruimte, in de vorm van een vogel. ‘Dit is de meest bekende nebula, de arend-nebula,’ wijst Watts.

In de gloeiende wolk gebeurt ontzettend veel, vervolgt ze. Ze zoomt in op de nebula. We zien kleine, zwarte wolken. ‘In elk wolkje zit een babyster, in een soort cocon van stof.’ Een ster begint zijn leven dus als een vies wolkje van gas en stof. Maar om echt een ster te kunnen worden, is er nog meer nodig. Watts: ‘Dan moeten we het hebben over zwaartekracht.’ Dat kennen alle kinderen: het is de kracht die ervoor zorgt dat je naar beneden wordt getrokken als je omhoog springt. ‘Om het wolkje zit ook zwaartekracht, die drukt het wolkje samen.’

Het samendrukken van het wolkje gaat eigenlijk net als bij een squishy: in het begin is het makkelijk om het samen te duwen, maar later wordt het steeds zwaarder. ‘Dat het zwaarder wordt, komt door het gas in de wolk. Dat geeft tegendruk,’ legt Watts uit. ‘Gas is bijzonder. Als de druk te hoog wordt, wordt het gas warmer. Dan kan het niet meer verder worden samengedrukt en dat zorgt voor een balans in het wolkje.’

Verkreukelde ballon

De bijzondere werking van gas wordt gedemonstreerd met een proefje. Medewerker Ludo van NEMO Science Museum zet een veiligheidsbril over zijn bril, trekt een witte labjas aan en beschermt zijn handen met stevige rubberen handschoenen. Dan pakt hij een opgeblazen ballon op een stokje. De ballon is rond. Wat we niet zien, is dat er twee krachten aan het werk zijn: de gasdruk van de zaal aan de buitenkant van de ballon en de gasdruk ín de ballon. Het gas in de ballon is ongeveer 21 graden Celsius. ‘We gaan de ballon nu heel koud maken,’ vertelt Ludo, en hij doet de ballon in een emmer. In de emmer zit stikstof, met een temperatuur van 196 graden Celsius onder nul. De zaal is heel stil. We horen de ballon sissen en kraken. Dan houdt Ludo de ballon weer omhoog en wat zien we? De ballon is helemaal verkreukeld!

 Na een paar tellen is de ballon weer net zo groot en rond als eerst. Hoe kan dat? ‘De kou maakt de lucht in de ballon koud. En kou zorgt ervoor dat het gas in de ballon samenkrimpt,’ verklaart Watts. ‘De gasdruk in de ballon wordt kleiner, waardoor de kracht van de gasdruk in de zaal wint. Het is een gevecht.’ Als het gas in de ballon weer opwarmt, zet het uit, waardoor de gasdruk weer in balans komt met de gasdruk van de zaal.

We zijn er bijna

We weten nu dus dat gasdruk en temperatuur met elkaar zijn verbonden: als het gas kouder wordt, neemt de druk ervan af. In een babyster werkt het gas precies op dezelfde manier. Door de druk van de zwaartekracht wordt het wolkje kleiner en het gas erin, wordt warmer. ‘Om een ster te worden, moet er nu nóg iets gebeuren,’ vertelt Watts. Nu komen atomen en elementen om de hoek kijken.

Watts laat een plaatje zien van een bolletje met een stip in het midden, een atoom. ‘Een atoom heeft een kern met protonen en neutronen,’ ze wijst naar de stip. ‘Daaromheen zit een wolkje van elektronen.’ Elementen zijn bouwstenen die bestaan uit een kern van atomen en neutronen. Zo bestaat de kern van het element helium uit twee protonen en twee neutronen. Goud heeft 79 protonen en 118 neutronen in de kern. Zo heeft elk element een eigen, uniek aantal atomen in de kern.

Energiebron

Om een echte ster te kunnen worden, moeten elementen zich opbouwen. Om dat te kunnen, moeten de elementen verbindingen met elkaar maken. Het meest voorkomende element in ons universum is waterstof. Dat bestaat uit één proton en één elektron en geen neutronen. Als het wolkje van de babyster krimpt, wordt de druk hoger en stijgt de temperatuur. Sommige protonen veranderen dan in neutronen en het element waterstof verandert in het element helium. ‘We beginnen met protonen (waterstof atoomkernen). Twee veranderen in neutronen (2n) en twee blijven als protonen (2p). Dan heb je 2p+2n: een helium atoomkern. En als dat gebeurt, komt er iets los: energie. Heel veel energie. En energie is een bron van licht en warmte,’ zegt Watts enthousiast.

Als het dus warm genoeg is in een samengedrukt wolkje van gas en stof, kunnen zich elementen opbouwen en ontstaat een eigen energiebron. ‘Dat is precies wat er in de zon is gebeurd. Na een strijd tussen gasdruk en zwaartekracht, is een balans ontstaan. Als dat gebeurt, is er een stabiele ster gemaakt.’

Grote sterren en kleine sterren

‘En dan is de vraag: hoe lang blijft de ster in balans,’ vraagt Watts. ‘Dát bepaalt de leeftijd van een ster.’ Ze laat een plaatje zien van twee kaarsen: een groot en de ander klein. ‘Welke van deze twee gaat langer mee?’ De kinderen wijzen allemaal naar de grote. En daar hebben ze gelijk in: een grote kaars heeft meer brandstof dan een kleine en zal daardoor langer branden. Bij sterren werkt dat echter niet zo: grote sterren branden juist eerder op dan kleine sterren.

Hoe dat werkt, laat de astrofysicus zien met een proefje. Vier kinderen komen de tribune af en gaan aan weerszijden van een tafeltje staan. Twee kinderen zijn een grote ster, de andere twee een kleine. Ieder tweetal krijgt een handvol rode en gele legosteentjes: waterstofatomen. Van elke ster gaat één kind met de legosteentjes bij de wand staan. Dan moet het kind van de grote ster de steentjes al rennend naar de tafel brengen. Het kind van de kleine ster doet dat heel rustig. Klaar? Af!

De grote ster gaat heel snel en kan van de op de tafel verzamelde waterstofatomen al snel een heliumatoom maken. Bij de kleine ster gaat dat wat minder snel. Na een minuut stopt Watts de tijd en wat zien we? De grote ster heeft veel meer heliumatomen gemaakt dat de kleine ster. ‘Toch heeft de grote ster niet gewonnen,’ zegt Watts. ‘De grote ster verbruikt namelijk veel meer energie bij het maken van de heliumatomen. Daardoor verbrandt hij sneller en leeft daardoor korter. De kleine ster gaat langzamer en leeft daardoor langer.’ Bij sterren werkt het dus precies andersom dan bij kaarsen: in een grote ster gaat alles veel vlugger. Er is dus wel meer waterstof dan in een kleine ster, maar het is ook sneller op. ‘Onze zon is nu 4,5 miljard jaar en ze kan wel tot 10 miljard jaar,’ vertelt de astrofysicus. ‘Kleine sterren kunnen wel honderd miljard jaar oud worden. Grote worden ‘maar’ één miljard jaar oud.’

Stervende sterren

Het proces van verbranding duurt dus zelfs bij heel grote sterren nog ontzettend lang. Maar wat gebeurt er nou precies wanneer alle waterstof in een ster op is? Gaat de ster dan dood? Watts legt het uit: ‘Als het waterstof op is, is de bron van warmte en energie weg, en dan valt de druk weg.’ Dat wordt gedemonstreerd met een proefje. Een medewerker van NEMO brengt een blik met water aan de kook. Als het lekker borrelt, schroeft ze stevig een dop in het deksel, zodat er geen lucht in of uit kan. Dan zet ze het gloeiend hete blik in een bak koud water. Even wachten en dan… Knal! Het blik deukt helemaal in!

Wat we zagen, was geen explosie, maar een implosie. Het gas in het blik zette uit doordat de temperatuur steeg en ontsnapte door het gaatje in het deksel. Hierdoor werd de gasdruk in het blik lager dan de gasdruk van de kamer. ‘Als de gasdruk in het blik lager wordt, krijg je een implosie,’ verduidelijkt Watts. ‘Dat gebeurt ook aan het eind van het leven van een ster. De ster krimpt en de zwaartekracht wordt de baas.’ Soms kunnen de protonen en neutronen in de kern van de ster het krimpen stoppen, maar vaak gebeurt dat niet. ‘Dan ontstaat een zwart gat. En soms zie je een supernova.’

De astrofysicus laat een uitbundige supernova-ontploffing zien. ‘Als de kern van een stervende ster krimpt, waar komt dan die explosie vandaan,’ vraagt ze. Het blijft stil in de zaal. Watts pakt het met twee ballen. Een basketbal stelt de kern van de ster voor. Een tennisbal de buitenlaag. Ze houdt ze tegen elkaar aan en laat ze dan los. Bij het neerkomen van de basketbal, schiet de tennisbal ver de zaal in. ‘Dit is wat er gebeurt in een supernova: de kern stort in en de buitenste laag van de ster wordt gelanceerd en vliegt heel ver weg.’

Fantastische neutronenster

Wat overblijft is een neutronenster. ‘Dat is een dode ster. Maar hij is niet dood,’ vertelt Watts geheimzinnig. Alle elementen van de ster komen vrij bij de explosie: al het ijzer, goud, helium en alle andere elementen worden verspreid door het heelal en kunnen zo nieuwe sterren vormen. Ze vervolgt enthousiast: ’Wat overblijft is een klein restje neutronenster, niet veel groter dan de oppervlakte van Amsterdam. Het is nog steeds een ster. En het is heel klein, maar het heeft veel krachten.’ De neutronenster beschikt over een ontzettend sterke zwaartekracht, grote magnetische krachten en het draait heel snel rond, wel zevenhonderd keer per seconde!

‘Neutronensterren zijn fantastische sterren en daar doe ik onderzoek naar.’ En dat is nog best lastig: neutronensterren kun je namelijk niet zien met het licht van de aarde en ook niet met een telescoop, vertelt Watts. ‘We gebruiken röntgenstraling om deze sterren te zien.’ Röntgenstraling is niet goed voor de gezondheid. Deze straling komt veel voor in de ruimte, maar wordt tegengehouden door de dampkring. ‘Als astronoom kun je hier geen onderzoek mee doen op aarde, dus moet dat in de ruimte.’

Onderzoek in de ruimte

Daarom staat er een speciaal voor neutronenster-onderzoek ontwikkelde telescoop op het internationale ruimtestation ISS. ‘De NICER, die is vorig jaar gelanceerd. Op ISS doen astronauten onderzoek voor ons,’ zegt Watts. ‘De telescoop staat naast de zonnepanelen van het ruimtestation en hij pikt veel stralingen op. We zijn nu druk bezig om alle informatie te verwerken, zodat we kunnen ontdekken war er gebeurt in de kern van een dode ster.’

Veel te snel komt er een eind aan de kinderlezing. En wat hebben de kinderen veel gehoord! Ze weten nu dat sterren verschillende leeftijden kunnen halen, van één tot wel honderd miljard jaar. En dat sterren na hun dood op een heel andere manier blijven voortbestaan, waar nog veel over te leren valt.