Er zijn overal sterren te vinden. Alleen al in ons sterrenstelsel, de Melkweg, zijn 100 miljard sterren te bewonderen. In het hele heelal zijn minimaal 50 triljard (50 met 21 nullen erachter) sterren aanwezig. Maar deze sterren moeten wel ergens vandaan komen. Hoe zijn al deze sterren ontstaan?

Sterren ontstaan uit grote wolken stof die zich in de ruimte bevinden. Als er genoeg gas is, implodeert dit op plekken waar zich een hogere dichtheid bevindt. Hierbij komt veel energie en warmte vrij. Bij een temperatuur van 2.000℃ kan er kernfusie plaatsvinden en is er een protoster ontstaan.

Waaruit ontstaan sterren?

Sterren ontstaan uit interstellaire gaswolken, ook wel stofwolken of nevels genoemd. Dit zijn enorme wolken stof die voornamelijk uit waterstof en helium bestaan. Er zijn ook zwaardere elementen als goud en kalium aanwezig. Deze elementen komen van supernova´s vandaan. Dit zijn evenementen waar sterren ontploffen. Bij dit soort explosies komt zoveel energie vrij dat ook zwaardere elementen, zoals goud, ontstaan die via kernfusie niet zouden kunnen ontstaan.

Interstellaire gaswolken zijn enorm koud. Met een temperatuur van 2 Kelvin ofwel −271.15°C zitten de nevels maar 2 graden Celsius boven het absolute nulpunt. Interstellaire gaswolken zijn tevens enorm groot. Ze kunnen wel honderden lichtjaren in diameter groot zijn. Er kunnen wel duizenden sterren met de massa van de Zon worden gevormd uit deze enorme hoeveelheid stof.

De bekendste nevel is de adelaars nevel. En dan met name het gedeelte van de ´Pilaren der Creatie´. Dit is een plek in het hart van de adelaars nevel waar drie pilaren uit lijken te steken. Er ontstaan in deze pilaren allemaal nieuwe sterren. De pilaren creëren dus als het ware nieuwe sterren. Vandaar de naam. Verder zijn de pilaren 4 lichtjaren groot. Ze zijn in onderstaande afbeelding weergegeven.

Afbeelding van de pilaren der creatie
Afbeelding van de pilaren der creatie die zich in het hart van de adelaars nevel bevinden. Dit is tevens een van de meest iconische foto van de ruimte gemaakt door NASA.

Hoe ontstaan sterren uit gaswolken?

Als een gaswolk groot genoeg is kan deze gaan instorten. Er zijn twee voorwaarde voor het instorten van een nevel. Ten eerste moet de dichtheid groot genoeg zijn. En ten tweede moet de temperatuur heel laag zijn. Dus een grote wolk met lage dichtheid zou niet kunnen instorten terwijl een kleinere wolk waar de dichtheid groter is, wel zou kunnen instorten.

De omstandigheden laten het nu toe om al het stof naar binnen te laten vallen. Omdat interstellaire gaswolken zo enorm groot zijn, kan dit proces honderdduizenden jaren duren. Zoals je al zou verwachten valt niet al het stof naar één plek toen. Er zijn meerdere subplekken in de grote stofwolk die materiaal naar zich toe trekken. Uit een grote nevel ontstaan dus meerdere plekken waar stof naar toe gaat trekken.

Bij deze samentrekking van materiaal komt veel energie vrij wat ook de temperatuur verhoogt. Er ontstaat nu langzamerhand een kern. Als er genoeg materiaal bij elkaar is gekomen, heb je te maken met een protoster. Wanneer de zwaartekracht net zo groot is als de interne druk door kernfusie, heb je te maken met een ster. Deze zal vanaf dit moment niet nog verder krimpen.

De hoeveelheid materiaal bepaald hoe groot en hoe heet een ster wordt. Dit bepaalt op zich zelf weer wat voor een type ster er ontstaat en hoelang deze leeft. Protosterren zijn te zien als een grote hete bol waar een schrijf met materiaal, omheen draait. Deze schijf wordt ook wel een protoplanetaire schijf of acrretieschijf genoemd. De reden dat deze draait heeft te maken met het fenomeen wat het draaimoment wordt genoemd.

Het draaimoment van een protoplanetaire schijf

Het materiaal in een nevel draait altijd om een middelpunt in de nevel heen voordat de nevel in elkaar stort. Hierdoor heeft het materiaal een zogenoemd draaimoment. Hoe dichter het materiaal bij het middelpunt komt, hoe sneller deze moet gaan draai.

Op een grote afstand kan het stof dus heel langzaam draaien, maar op een kleine afstand rond een ster moet het stof heel snel draaien. Hierdoor draait de schijf altijd met een bepaalde snelheid. Dit is hetzelfde principe als een kunstschaatser die pirouetten maakt op het ijs. Als de kunstschaatser zijn of haar armen naar buiten gooit gaat hij langzamer draaien. Wanneer hij ze weer naar zich toe trekt, gaat hij sneller draaien.

accretieschijf rond een protoster.
Accretieschijf/protoplanetaire schijf rond een protoster. De donkere banen banen rond de ster zijn aanwijzingen dat er in die plekken planeten aan het vormen zijn. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Hoe ontstaan dubbelsterren?

Er zijn echter ook systemen waar twee of meer sterren in een baan rond elkaar zijn. Dit heet een dubbelster. Ook als het systeem uit 3 of meer sterren bestaat. Na veel onderzoek met modellen hebben wetenschappers twee manieren ontdekt hoe dit soort sterren kunnen vormen.

Net als bij een enkele ster wordt een dubbelster gevormd uit het samentrekken van materiaal uit een deel van een nevel. Bij een enkele ster ontstaat de ster uit een kern. Bij een dubbelster ontstaan door turbulentie twee gedeeltes in de kern waar de dichtheid net wat groter is dan in de rest van de kern. Hierdoor splitst de kern zich in twee kleinere kernen. Uit beide kernen ontstaat nu een ster. Je hebt nu te maken met een dubbelster. De vorming van een dubbelster via dit proces wordt ook wel turbulente fragmentatie genoemd.

De andere mogelijkheid tot het ontstaan van een dubbelster komt uit de de protoplanetaire schijf. In deze schijf zit heel veel materiaal. Ook in deze schijf zijn plekken waar de zwaartekracht net wat hoger is. Er wordt meer stof naar deze plekken getrokken. Op deze plekken kan er zoveel stof bij elkaar komen, dat er een nieuwe ster ontstaat. Je hebt nu weer twee sterren die om elkaar heen draaien. De vorming van dubbelsterren via deze manier heet schijffragmentatie.

Wat is een sterrenhoop?

Zoals eerder besproken vormen er meerdere, soms wel duizenden tot miljoenen, sterren uit één interstellaire gaswolk. In sommige gevallen zullen de sterren elkaar verlaten. Dan reizen ze in hun een eentje door de ruimte. Als er genoeg sterren zijn die op een korte afstand van elkaar zijn gevormd, kunnen ze via zwaartekracht aan elkaar gebonden blijven. Deze sterren reizen dan als één grote hoop door het heelal heen. Dit soort grote hopen worden sterrenhopen genoemd. Het zijn dus niks anders dan een heleboel sterren die samen als een hoop door de ruimte zweven.

Je moet dit niet in de war halen met sterrenstelsel. Net als sterrenhopen zijn ook sterrenstelsels, zoals onze Melkweg, een heleboel sterren die via de zwaartekracht aan elkaar zijn verbonden. Het verschil zit hem in donkere materie.

Als een groep sterren door hun eigen zwaartekracht aan elkaar verbonden zijn heb je te maken met een sterrenhoop. Als er donkere materie nodig is om sterren bij elkaar te houden, heb je te maken met een sterrenstelsel. Dus als er donkere materie in het spel is, heb je te maken met een sterrenstelsel. Daarnaast zijn sterrenstelsels meestal veel groter dan sterrenhopen.

Verder hebben sterren in een sterrenhoop allemaal ongeveer dezelfde leeftijd en samenstelling. Dit komt omdat al deze sterren uit hetzelfde gas zijn ontstaan. Sterren in een sterrenstelsel kunnen heel erg verschillen in zowel hun leeftijd als samenstelling.

Donkere materie is dus van belang om sterrenstelsels bij elkaar te houden. Maar wat is donkere materie? Lees het volgende bericht om daar achter te komen:

Wat is donkere materie en waaruit bestaat het?

Hoe ontstaan planeten?

Planeten ontstaan uit de schijf materie, ook wel de accretieschijf genoemd, die om een protoster heen draait. Op bepaalde banen om een ster zullen er wat grotere stukken rots aanwezig zijn. Deze zullen via zwaartekracht andere kleinere deeltjes naar zich toe trekken. Hierdoor wordt deze nog groter tot het uiteindelijk een echte planeet is.

Er is echter een klein probleempje met dit model. Het blijkt dat kleine stukken stof van 1cm – 1meter fragmenteren als deze in botsing komen. Het zou dus niet mogelijk moeten zijn om stukken rots te vormen van ongeveer een kilometer die kleinere dingen via zwaartekracht naar zich toe kan trekken.

De oplossing zit hem in turbulentie. Er zijn plekken in de acrretieschijf waar turbulentie ervoor zorgt dat de onderlinge snelheid tussen deeltje een stuk lager is. Dit geeft de mogelijkheid voor stof om rustig te gaan groeien. Als deze is gegroeid tot ongeveer een kilometer, zal deze niet meer fragmenteren als het in botsing komt met andere stofdeeltjes. Vanaf dit moment kan deze planetoïde dus rustig groter worden tot het een planeet is.

In de afbeelding van de protoplanetaire schijf boven is te zien op welke plekken er planeten aan het vormen zijn. Er is minder materiaal in de donkere banen aanwezig. Er is dus weinig straling/licht afkomstig uit deze banen. Dit wijst erop dat er planeten zijn die al het materiaal in die baan naar zich toe hebben getrokken.