Boekbesprekig: Nucleosynthese - Claude Doom

Titel: Nucleosynthese

Ondertitel: Het ontstaan van de elementen in het heelal

Auteur: Claude Doom

Uitgeverij: Vereniging Voor Sterrenkunde

ISBN: 978-90-73061-23-1

Aantal bladzijden: 168

Prijs: € 32 / € 26 euro voor VVS-leden

Te bestellen via de webshop van de Vereniging Voor Sterrenkunde

------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Auteur is Claude Doom, doctor in de astrofysica en gekend door onder andere de vele interessante artikels die hij schreef voor Heelal, het tijdschrift van de VVS, en zijn zeer gesmaakte lezingen over allerlei onderwerpen i.v.m. sterrenkunde en kosmologie.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Copyright afbeelding: Vereniging Voor Sterrenkunde

------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Wanneer wordt gezegd dat wij gemaakt zijn van sterrenstof bedoelt men dat de verschillende elementen waaruit een menselijk lichaam is opgebouwd hun oorsprong vinden in sterren.

En ook al klinkt dat voor sommigen misschien ongelooflijk, toch zijn diegenen die wel wat kennis hebben van wetenschap en sterrenkunde op de hoogte van het feit dat het werkingsprincipe van sterren stoelt op kernfusie en dat dus, beginnend bij waterstof, sterren steeds zwaardere deeltjes aanmaken. Tot de fusie abrupt stopt in de sterkern eens daar ijzer wordt gevormd.

In het periodiek systeem der elementen (de zogenaamde tabel van Mendelejev) is ijzer evenwel slechts element 26, en in de natuur komen er maar liefst 88 elementen voor. Bovendien telt het actuele periodiek systeem maar liefst 118 verschillende chemische elementen.

Om de oorsprong en de verscheidenheid van al deze elementen te begrijpen is er bij de Vereniging Voor Sterrenkunde (VVS) onlangs een boeiende nieuwe publicatie verschenen over wat men nucleosynthese noemt: de vorming van elementen.

Claude Doom is de ideale gids om ons een inkijk te geven in de verschillende processen die zich afspelen in de context van sterren waardoor die rijke verscheidenheid aan elementen in het periodiek systeem kon ontstaan.

Maar het boek Nucleosynthese is geenszins een luchtig werkje waarbij we rustig badinerend van het ene vormingsproces bij het andere terechtkomen. Het is een heus studieboek geworden, waarbij we met volle aandacht in de loop van 168 bladzijden op intellectueel avontuur trekken. En waarbij we onder andere te maken krijgen met tunneleffecten, fotodesintegratie, het magisch getal, thermische pulsen en de beruchte coulombbarrière…

 

 

Copyright afbeelding: Cmglee @ Wikipedia licentie via Creative Commons

------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Het is in de context van de twintigste eeuw, waarin de kwantummechanica een totaal nieuwe kijk op de realiteit openbaart, dat sterrenkundigen pas echt zicht krijgen op de werking van sterren: de energie die opwekt wordt in het sterinwendige is het resultaat van kernreacties.

In de inleiding van het boek wordt natuurlijk ook het belang geschetst van het baanbrekende artikel Synthesis of the Elements in Stars uit 1957 waarin Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William A. Fowler en Fred Hoyle voor het eerst op een gefundeerde manier het ontstaan schetsten van de chemische elementen.

In een volgende hoofdstuk beschrijft de auteur hoe atoomkernen in mekaar zitten en legt hij haarfijn en heel gedetailleerd uit hoe we een model voor atoomkernen nodig hebben om zicht te krijgen op hoe protonen en neutronen zich volgens hun energieniveau gedragen binnen de atoomkern.

Dan is het tijd om stil te staan bij kernreacties en zien we hoe elementen omgezet worden in andere elementen of in andere isotopen van hetzelfde element, dit via fusie of radioactief verval.

Op basis van die kernreacties kan een diagram opgesteld worden waarbij we, afhankelijk  van het procedé dat zich voordoet, een isotoop zich in dat diagram zien verplaatsen.

De auteur schetst hoe snel fusiereacties kunnen optreden, welke factoren dergelijke fusies bemoeilijken en welke trucs de kwantummechanica in petto heeft om die moeilijkheden te overwinnen.

Uiteindelijk belanden we bij de vraag: wat brengt kernfusie qua energie allemaal op? Want finaal draait het voor het overleven van sterren daar natuurlijk om. Hier zien we ijzer verschijnen als het element met de grootste bindingsenergie voor de kerndeeltjes, en dus het eindstadium voor fusiereacties in de kern van sterren.

In een volgend hoofdstuk gaat het over nucleaire verbranding en duiken we in het inwendige van sterren. We volgen er de opeenvolgende verbrandingsfasen: van waterstof en deuterium tot siliciumverbranding. Er wordt even stil gestaan bij het intussen opgeloste zonneneutrinoprobleem.

En we eindigen die verkenningstocht bij het nucleair statistisch evenwicht dat optreedt met de vorming van het element ijzer. Waarna de ster ontploft via een waanzinnige supernova-explosie.

Welke verbrandingsfasen er zich in het sterinwendige afspelen hangt af van de massa van de ster bij de geboorte. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen bruine dwergen (mislukte sterren), zeer lage en lage massa sterren, sterren die er qua massa tussenin zitten en zware sterren. Het boek bestudeert de levensloop van de sterren, en die evolutie zal, afhankelijk dus van de massa, een heel verschillend verloop zal kennen.

In deze contexten dient opgemerkt ter worden dat al wat er hier qua nucleosynthese plaatsvindt gebeurt onder vrij stabiele omstandigheden.

Dat is helemaal anders wanneer we te maken krijgen met exploderende sterren (supernovae) of steruitbarstingen (novae). Bij dergelijke ‘catastrofale’ gebeurtenissen vinden nucleaire reacties plaats in een heel korte tijdspanne bij ongemeen hoge temperaturen en materiedichtheden. Onder deze extreme omstandigheden zijn andere kernreacties mogelijk dan in het ‘gewone’ inwendige van sterren en zal radioactief verval zich heel anders gedragen omdat de halfwaardetijd groter is dan de typische duurtijd van explosieve nucleosynthese. Bovendien zal een deel van de gevormde materie nadien niet stabiel zijn en verder verval kennen. Er wordt bij explosieve nucleosynthese vaak geen evenwicht bereikt, zodat er in de praktijk moet nagegaan worden hoe de kernreacties verder verlopen.

Tijdens een aantal fusiereacties en bij sterontploffingen of steruitbarstingen komen neutronen vrij die vervolgens door andere elementen kunnen ingevangen worden, zo ontstaan zwaardere elementen dan ijzer. We onderscheiden drie processen: S, R en P.

Het S-proces (waarbij S staat voor ‘slow’) vindt plaats tijdens stabiele verbrandingsfasen in het sterinwendige, dan is er voldoende tijd om langzaam neutronen in te vangen. Via een duidelijke illustratie kan je mooi de evolutie van het S-proces volgen van ijzer tot polonium.

Het R-proces (R voor ‘rapid’) is het gevolg van sterontploffingen en steruitbarstingen, waarbij ineens gigantische hoeveelheden neutronen vrijkomen, maar slechts voor een zeer korte tijdsduur. Daarom vindt het invangen van neutronen hier zeer snel plaats. Ook hier wordt het R-proces aanschouwelijk voorgesteld middels een illustratie waarbij zink via het snelle invangen van neutronen evolueert tot uranium.  

Er zijn ten slotte ook elementen die gevormd worden via het P-proces (P staat voor protonen). Het betreft isotopen met relatief veel protonen. Dat kan via een mechanisme dat met het rp-proces noemt: rapid-proton. Dat gebeurt tijdens een korte periode waarbij er veel protonen present zijn. Daarna vervallen die tot stabiele isotopen. Een ander mechanisme is het gamma-proces waarbij zware elementen fotodesintegreren bij extreem hoge temperaturen en zo evolueren tot stabiele protonrijke isotopen.

De allereerste nucleosynthese vond plaats een minieme fractie van een seconde na de Big Bang. Tijdens de eerst drie minuten van het heelal speelden bijna alle kernreacties zich af waarbij 77% waterstof en 23% helium gevormd werd. En ook een onnoemlijk kleine hoeveelheid lithium en beryllium. Dat beryllium was trouwens een instabiele isotoop die na enkele maanden verviel tot lithium. En misschien al gehoord over het lithiumprobleem? In het boek wordt een korte paragraaf gewijd aan mogelijke verklaringen om uit te leggen waarom er te weinig lithium waargenomen wordt in het jonge heelal.

De auteur staat ook even stil bij drie probleemgevallen in het hele verhaal van de nucleosynthese: de lichte elementen lithium, beryllium en boor. In de praktijk is het onmogelijk om die via fusiereacties met waterstof en helium aan te maken, er moet dus een ander mechanisme daarvoor verantwoordelijk zijn. Dat mechanisme blijkt splitsing of juister ‘spallatie’ te zijn ten gevolge van kosmische straling. Nauwkeurig legt de auteur voor de drie bovengenoemde elementen uit hoe die spallatie concreet in zijn werk gaat.

Het boek sluit af met een hoofdstuk over nucleochronologie. Daarbij wordt gebruikt gemaakt van het verval van instabiele isotopen om leeftijden te bepalen. Gekend is de koolstof-14 dateringsmethode, en op een vergelijkbare manier kunnen wetenschappers het verval van bijvoorbeeld uranium tot lood gebruiken om de leeftijd van gesteenten op Aarde en op andere planeten te achterhalen, en uiteindelijk ook van de aardachtige planeten zelf.

Er wordt ook gepoogd om zodoende de leeftijd van kosmische objecten te bepalen, in het bijzonder de leeftijd van ons eigen sterrenstelsel. Maar in die context rijzen er toch nog heel wat problemen om tot nauwkeurige uitkomsten te komen.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Stevige kost zowaar. Wie het verhaal van hoe de elementen zijn ontstaan echt wil doorgronden zal in dit boek vinden wat hij/zij zoekt. Bovendien wordt de tekst geïllustreerd met heel wat verhelderende figuren, zodat tekst en illustraties een harmonisch geheel vormen.

Wie begint met de inhoudstafel vooraan in het boek rustig door te lezen krijgt al een mooi overzicht van wat er in de zowat 150 volgende bladzijden allemaal aan bod komt. En handig is zeker ook de index achteraan, daarmee kan je vlot het ene of gene onderwerp terugvinden in het boek.

En wie zich na de studie van dit boekwerk nog meer wil verdiepen in de nucleosynthese kan inspiratie opdoen in de uitgebreide literatuurlijst.

Als conclusie kunnen we stellen dat er met dit boek een boeiende, verhelderende en leesbare publicatie in de Nederlandse taal is bijgekomen die terecht een plaats verdient in de wetenschappelijke bibliotheek van hen die graag diepere kennis opdoen over de fundamenten van de natuur en over de stof waaruit ook wij, mensen zijn opgebouwd.  

 

 

Claude Doom in actie tijdens een lezing op MIRA - Copyright afbeelding: Volkssterrenwacht MIRA

 

Tekst: Francis Meeus, 12 december 2022