Wetenschap

Een uitgebrande ster op het punt van ontploffen. In de buitenste schil wordt nog waterstof samengesmolten (gefuseerd) tot helium. Daarbinnen volgen helium, koolstof, neon, zuurstof, silicium en ijzer. Fusie van ijzer kost energie, dus stort de ster in elkaar, als gevolg stijgt de temperatuur weer enorm en ontstaat een verwoestende supernova.

‘Aarde begon bestaan als gasreus’

Deze nieuwe theorie lost een aantal netelige problemen op. Zoals: waarom vormde zich in de asteroïdengordel geen nieuwe planeet?

In den beginne was er een grote wolk van gas en stof, zo begint het moderne scheppingsverhaal. Het centrum ontwikkelde zich tot de zon. De rest van de wolk trok samen tot een schijf. Hierin vormden zich grote rotsblokken, die kleinere rotsblokken opslokten en een atmosfeer van gas verzamelden. In de buurt van de zon werden de lichte gassen weggedampt, zodat alleen ver van de zon, ter hoogte van Jupiter, planeten tot gasreuzen konden uitgroeien.

Inslagen op een gasreus, zoals van de komeet Shoemaker-Levy op Jupiter, leiden niet tot brokstukken, maar groei van de gasreus.
Inslagen op een gasreus, zoals van de komeet Shoemaker-Levy op Jupiter, leiden niet tot brokstukken, maar groei van de gasreus.

Problemen met de standaardtheorie
Een mooi en overtuigend verhaal, maar helaas zijn er een aantal vervelende dingen die we met deze theorie niet kunnen verklaren. Uit berekeningen en ook uit waarnemingen blijkt dat asteroïden en kometen door botsingen niet groter, maar juist kleiner worden. Veel meteorenzwermen zijn het resultaat van uiteengevallen kometen. Het grote ringenstelsel rond Saturnus is bijvoorbeeld het overblijfsel van een door een botsing gesloopte ijsmaan. Ook weten we nu dat bijvoorbeeld ijsreus Uranus de nodige avonturen in het zonnestelsel er op heeft zitten.

Aarde was gasreus
Een nieuwe theorie, bedacht door de Russische astronoom Sergey Nayakshin,  stelt nu dat de planeetvorming niet met rotsblokken, maar met gasplaneten begon. Gas is in tegenstelling tot vacuüm stroperig en remt kleine objecten af. Botsende gasbollen breken niet in stukken uiteen, maar smelten samen. Net zoals zich de zon vormde door een lokale verdichting, zouden zich ook kleinere gasbollen hebben gevormd, misschien ter grootte van Uranus of Neptunus. Deze gasbollen slokten alles in hun baan op en begonnen gassen als waterstof te verliezen toen de zon heter werd.

Gasbollen worden afgeremd
Door de wrijving van het gas in de protoplanetaire schijf werden sommige gasbollen al in een vroeg stadium tot een baan vlak bij de zon afgeremd. Ter hoogte van de asteroïdengordel worden ook vaste bestanddelen uit de atmosfeer gedumpt, wat de ophoping van puin in de gordel verklaart.

De protoplanetaire schijf zag er ongeveer zo uit.
De protoplanetaire schijf zag er ongeveer zo uit.

Asteroïdengordel verklaard
Uit astronomische berekeningen blijkt dat binnen de baan van de asteroïdengordel, een puinring tussen de aardachtige planeet Mars en de gasreus Jupiter, gasreuzen instabiel zijn. Sterke getijdeneffecten van de zon en zonnestraling rukken de gasreus uiteen zoals nu met de gloeiend hete gasreus WASP 12B gebeurt. Vermoedelijk is de dichte koolzuuratmosfeer van Venus hier nog een overblijfsel van. Op aarde komt zeven keer zoveel  deuterium, zware waterstof, voor als op Jupiter, nog een sterke aanwijzing dat de aarde vroeger een enorme waterstofatmosfeer moet hebben gehad waarbij de ‘normale’ waterstof door de zon is weggeblazen.

Een heet hangijzer voor Nayakshin blijft de oorsprong van de ijsbrokken in de Oort- en Kuipergordel, gebieden voorbij de baan van ijsreus Neptunus waar kometen vandaan komen.

Atomen bestaan vrijwel helemaal uit leegte.

Zijn machines zo groot als een atoom mogelijk?

Atomen zijn bijna helemaal leeg. Sommige visionaire natuurkundigen durven dus al na te denken over een techniek die nu nog extreem ver buiten ons bereik ligt: femtotechniek. 

Nanotechniek: atomenlego
De tijd dat atomen voor het eerst zichtbaar werden gemaakt met een elektronenmicroscoop ligt nog maar pas achter ons. Steeds meer onderzoekers stellen zich niet meer tevreden met een hele massa atomen tegelijk te manipuleren – scheikunde – maar willen apparaatjes en materialen atoom voor atoom samenstellen. 

Atoom bestaat uit leegte
Een nanometer is een miljoenste millimeter. Atomen bevinden zich op nanoschaal – zo is een waterstofatoom 0,05 nanometer groot. Het grootste atoom, cesium, is zes keer zo groot. 

Atomen bestaan vrijwel helemaal uit leegte.
Atomen bestaan vrijwel helemaal uit leegte.

 

Er passen dus twintig miljoen waterstofatomen of drie miljoen cesiumatomen op een millimeter. Klein, dat zeker. Maar de atoomkern is nog honderdduizend maal kleiner. Zou een atoom zo groot worden als heel Nederland, dan zou de atoomkern drie meter groot zijn. Of voor de echte visionairen: als een atoom zo groot zou zijn als de aarde, past de kern nog net in de Kuip.  

Femtotechniek
Een femtometer, de grootte van een kleine atoomkern, is een miljoen maal kleiner dan een nanometer. De hoeveelheid lege ruimte in een atoom is werkelijk immens. Als je nullen en enen uit protonen en neutronen zouden bestaan, zou je in theorie in een enkel atoom meer informatie kunnen proppen dan op duizend complete ultramoderne harde schijven. Volgens sommigen is dat meer dan de informatie in een menselijk brein. Je zou dan alle herinneringen van de complete wereldbevolking kunnen plaatsen in een kleine bacterie. Wel zou die bacterie ongeveer een ton wegen. 

De femtowereld: extreem energierijk en snel
Er zijn maar drie stabiele subatomaire bouwstenen: protonen, neutronen en elektronen. Zelfs losse neutronen vallen in gemiddeld tien minuten uit elkaar. Op atoomkernschaal zijn er maar twee krachten echt relevant: de nucleaire kracht, die protonen en neutronen aan elkaar laat kleven (een overblijfsel van de extreem sterke kernkrachten die quarks op elkaar uitoefenen binnen protonen en neutronen) en de elektromagnetische kracht. De zwakke kernkracht, die bijvoorbeeld protonen in neutronen kan omzetten, is extreem veel zwakker dan deze twee titanenkrachten. 

De aantrekkingskracht tussen quarks is heel erg sterk: voldoende om een massa van duizend kilo op te tillen. Het restje hiervan is net voldoende om de ook extreem sterke elektromagnetische kracht die de protonen uit elkaar probeert te rukken, te overwinnen. 

Voorlopig dieptepunt van femtotechniek: de atoombom
Voorlopig dieptepunt van femtotechniek: de atoombom

 

De neutronen werken als lijm om de protonen bij elkaar te houden, terwijl protonen voorkomen dat neutronen uit elkaar vallen. Er zijn in zware atoomkernen daarom veel meer neutronen dan protonen. 

Al deze processen vinden extreem snel plaats, denk aan femtoseconden (een femtoseconde staat tot een seconde als een seconde is tot dertig miljoen jaar). Een miljoen maal sneller dan elektronica. 

Worden atoomkernen te groot, de grens ligt achter het metaal bismuth, dan is er voorzover we weten geen enkele combinatie van protonen en neutronen meer die de kern stabiel houdt. Alle elementen zwaarder dan bismuth, de metalen uranium en plutonium bijvoorbeeld,  zijn daarom radioactief: ze vallen spontaan uit elkaar als je maar lang genoeg wacht. 

Glimpen van toekomstige techniek?
Omdat de femtowereld maar drie bouwstenen kent en geen deeltje waarmee de positief geladen protonen zijn te neutraliseren – elektronen nemen door hun lage massa  te veel ruimte in – wordt het construeren van machines op femtoschaal erg lastig. 

Misschien dat we zeer zware atomen kunnen maken als we de kerndeeltjes op een slimme manier kunnen herschikken. Zo zijn er lichte en instabiele atoomkernen ontdekt waar andere atoomkernen als satelliet omheen draaien. 

Omdat de femtowereld extreem snel en energierijk is, weten we nog vrij weinig wat er zich op zeer kleine schaal afspeelt. Wel duiken er steeds meer fascinerende aanwijzingen op van structuren op femtoschaal. Naast de satelliet-atoomkernen blijken ook zogeheten magische getallen een belangrijke rol te spelen. Atoomkernen waarin veelvouden van deze magische getallen aan kerndeeltjes voorkomen, zijn veel stabieler. Kerndeeltjes lijken ook paren te vormen. Atoomkernen met een oneven aantal deeltjes zijn vaak radioactiever zijn dan atoomkernen met een even aantal deeltjes.   

Op dit moment ligt verfijnde femtotechniek duidelijk ver buiten ons bereik. Verder dan de meest ruwe vormen van  kernsplijting komen we nog niet. Picotechniek, een factor duizend groter, is voorlopig interessanter. Al zijn ook hier lastige hordes…

Adembenemend mooi: de drie sterren van Pismis 24 boven een gasnevel

Zwaarste ster in het heelal?

Pismis 24 is een schitterende flonkerende open-sterrenhoop. Ooit werd gedacht dat Pismis 24-1, in het hart van de verre sterrennevel NGC 6357 de zwaarste ster ooit vormde met 300 maal de massa van de zon. Dit bracht sterrenkundigen in grote problemen: een ster die zo zwaar is, ontploft namelijk meteen.

Adembenemend mooi: de drie sterren van Pismis 24-1 in een gasnevel
Adembenemend mooi: de drie sterren van Pismis 24-1 in een gasnevel

Goed nieuws voor deze geplaagde beroepsgroep. Uit waarnemingen blijkt dat Pismis 24-1, de fonkelende ster in de ‘grot’ in het midden, in feite een driedubbelster is, bestaande uit drie zwaargewichten: sterren honderd maal zo groot als de zon die over niet al te lange tijd gaan ontploffen. Althans, als je een paar miljoen jaar een korte tijd mag noemen.

Onze verre nazaten kunnen dus genieten van een schitterend vuurwerk als deze sterren supernova’s worden. Trouwens: Pismis 24 is ook nu al een schitterend gezicht…

Bron
ESA/NASA, Hubble telescoop

Pismis 24 in volle glorie. Klik op de afbeelding als je het complete plaatje wilt bekijken.
Pismis 24 in volle glorie
apophis inslag

Rusland wil killerasteroïde vernietigen

De asteroïde Apophis, ongeveer 250 meter in doorsnee, heeft een kleine kans op aarde terecht te komen. Apophis werd ontdekt in 2004.

apophis inslag
Een asteroïde als Apophis kan niet het leven op aarde uitroeien, maar van een land zo groot als Frankrijk zou weinig overblijven. Een inslag in de oceaan zou een vernietigende tsoenami veroorzaken.

Astronomen schatten de kans eerst één op 37 dat de asteroïde de aarde in 2037 zou treffen. Deze schatting is nu door Amerikaanse astronomen verlaagd tot een op een paar honderdduizend; Apophis passeert de aarde op veertigduizend kilometer afstand. Klaarblijkelijk hechten de Russen weinig geloof aan deze schatting. Wat vermoedelijk ook meespeelt is dat de asteroïde, als deze inslaat, dit met bijna 25% kans in Rusland doet terwijl de kans dat dit in de VS gebeurt vrijwel nul is.

Rusland wil nu internationale samenwerking om killerasteroïdes als Apophis en soortgelijke aardscheerders op tijd op te ruimen. In het voorstel van de Russen werken NASA, ESA, de Chinezen en het Russische ruimtevaartbureau Roskosmos samen om in eerste instantie Apophis en later ook andere gevaarlijke objecten onder de twee miljoen aardscheerders uit de weg te ruimen.

Apophis is niet zo groot als de extinction-level event asteroïde die de dinosauriërs uitroeide en een doorsnede had van meer dan tien kilometer. Een asteroïde van een kwart kilometer doorsnede zoals Apophis is wel in staat om in bevolkt gebied meer dan tien miljoen slachtoffers te maken.

De koolstofrijke gasreus WASP 12b gloeit door de hoge temperatuur oranje op.

Koolstofplaneet: steeds meer bewijs voor koolstofplaneten

De atmosfeer van de koolstofplaneet WASP12B bevat in tegenstelling tot bijvoorbeeld de aarde, meer koolstof dan zuurstof, ontdekten onderzoekers met de ruimtetelescoop Spitzer.

Eivormige gasreus

De planeet WASP 12B staat op 871 lichtjaar van de aarde en staat veertig maal dichter bij zijn zon dan de aarde: vier miljoen kilometer. De atmosfeer is extreem heet – boven de tweeduizend graden. Een jaar op WASP 12B duurt daarom ongeveer een aardse dag. De ster is iets groter dan de zon. De getijdekrachten zijn op die korte afstand enorm, waardoor de planeet een eivorm krijgt. Al eerder is ontdekt dat de planeet, anderhalf keer zo zwaar als Jupiter, langzaam wordt opgeslokt door zijn zon.

De eerst ontdekte koolstofplaneet? De eivormige, koolstofrijke gasreus WASP 12b gloeit door de hoge temperatuur oranje op.De koolstofrijke gasreus WASP 12b gloeit door de hoge temperatuur oranje op.
De eerst ontdekte koolstofplaneet? De eivormige, koolstofrijke gasreus WASP 12b gloeit door de hoge temperatuur oranje op. – NASA/JPL-Caltech

Koolstofplaneet: meer koolstof dan zuurstof

Bijzonder is de samenstelling. De atmosfeer van de koolstofplaneet bevat in tegenstelling tot bijvoorbeeld de aarde vooral methaan en koolmonoxide, dus meer koolstof dan zuurstof, ontdekten onderzoekers met de ruimtetelescoop Spitzer. Wetenschappers denken daarom dat de planeet, een hete Jupiter, een inwendige heeft van diamant en carbides, andere extreemharde koolstofverbindingen.

De ontdekking is onverwacht. De populairste bestaande planeetvormingsmodellen gaan namelijk niet uit van het bestaan van koolstofplaneten. Dit is het eerste experimentele bewijs van een controversiële theorie van astronome Jade Bond. Een koeler neefje van WASP 12B op leefbare afstand van de zon zou daarom wel eens meer weg kunnen hebben van een olieramp dan een tweede aarde. Denk dan bijvoorbeeld aan zeeën en oceanen van olie en andere koolwaterstoffen. Een warmere vorm dus van de grootste maan van Saturnus, Titan, waar er methaanmeren voorkomen.

Een koolstofplaneet kent waarschijnlijk oceanen van teer en een korst van steenkool, carbides en diamant.
Een koolstofplaneet kent waarschijnlijk oceanen van teer en een korst van steenkool, carbides en diamant.

Leven op een koolstofplaneet

In theorie is leven op een koolstofplaneet mogelijk, al zal het leven het niet makkelijk hebben. Weliswaar is koolstof geen probleem, maar water is schaars. Er zijn weinig stoffen, die de functie van water over kunnen nemen. Voedingszouten lossen niet op in olie. Op aarde komen bacteriën voor in oliereservoirs, maar deze groeien op de grens van de aardolie en het water. Deze bacteriën zetten de olie om in teer.

Felisa Wolfe verzamelt monsters bij het Mono Lake.

Arsenicum-gebaseerd leven ontdekt op aarde?

Uit de volgorde van sprekers op de NASA-persconferentie is af te leiden dat waarschijnlijk het bestaan van arsenicum-gebaseerd leven op aarde wordt onthuld.

NASA kondigt een persconferentie aan aanstaande donderdag. De sprekerlijst is als volgt:

– Mary Voytek, director, Astrobiology Program, NASA Headquarters, Washington
– Felisa Wolfe-Simon, NASA astrobiology research fellow, U.S. Geological Survey, Menlo Park, Calif.
– Pamela Conrad, astrobiologist, NASA’s Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.
– Steven Benner, distinguished fellow, Foundation for Applied Molecular Evolution, Gainesville, Fla.
– James Elser, professor, Arizona State University, Tempe

Dat Mary Voytek als eerste spreekt, is logisch. Zij is de directeur van het NASA astrobiologie programma.
Interessant is nummer twee, Felisa Wolfe-Simon.

Felisa Wolfe verzamelt monsters bij het Mono Lake.
Felisa Wolfe verzamelt monsters bij het Mono Lake.

Felisa doet onderzoek naar bacteriën in het arsenicumrijke Mono Lake die volgens haar in hun DNA geen op fosfor gebaseerde nucleïnezuren hebben, maar de fosfor vervangen door arsenicum. In een uitzending van VPRO Labyrint werd kort geleden al aangekondigd dat ze binnenkort met resultaten naar buiten zou komen in die richting.
Het ontdekken van een organisme op aarde dat gedijt op het voor mensen dodelijke gif arsenicum in plaats van fosfor zou een revolutie in de biologie betekenen en zeker enorme gevolgen hebben voor de zoektocht naar buitenaards leven.

UPDATE: een tweetal valsspelende Britse kranten heeft onthuld dat het inderdaad gaat om de ontdekking van een bacterie die op arseen leeft in plaats van op fosfor.

UPDATE 2:  een ander onderzoeksteam heeft de arseenbacterie voortgekweekt in een voedingsoplossing met arsenicum en heeft het DNA geanalyseerd. Zoals het er nu naar uitziet, bevat het DNA geen arseen. Toch geen leven, mede gebaseerd op arseen?

Met elkaar verstrengelde deeltjes vertonen een merkwaardige correlatie. Hoe dit kan, is al bijna een eeuw een raadsel.

Onzekerheidsprincipe beperkt werking op afstand

De kwantummechanica verbergt nog veel verrassingen. Maar liefst een halve eeuw hebben wetenschappers over iets achteraf vanzelfsprekends heen gekeken.

Tot nu toe werd gedacht dat het onzekerheidsprincipe van Heisenberg uit de kwantummechanica (je kan niet precies én de plaats én de impuls,dat is massa maal snelheid, van een deeltje weten) niets te maken had met de raadselachtige werking op afstand. Dit blijkt niet te kloppen. Vanwege het onzekerheidsprincipe kunnen deeltjes elkaar maar een maximale hoeveelheid beïnvloeden. Dat bleek al eerder uit experimenten, maar er was geen theoretische verklaring voor. Theoretisch natuurkundigen Wehner en Oppenheimer hebben nu zelfs een vergelijking afgeleid die precies beschrijft hoe de maximale werking op afstand afhangt van het onzekerheidsprincipe.

Met elkaar verstrengelde deeltjes vertonen een merkwaardige correlatie. Hoe dit kan, is al bijna een eeuw een raadsel.
Met elkaar verstrengelde deeltjes vertonen een merkwaardige correlatie. Hoe dit kan, is al bijna een eeuw een raadsel.

Aan de ene kant is dit jammer: als we een manier konden vinden om informatie sneller dan het licht te verplaatsen, zou dit een aantal uiterst interessante uitvindingen hebben opgeleverd. Denk aan sneller-dan-het-licht reizen naar de sterren. Waarschijnlijk bevat de kwantummechanica nog veel meer van dit soort onverwachte dingen, maar helaas moeten we constateren dat de meest getalenteerde natuurkundigen zich bezig houden met de onwerkbare, in de praktijk nauwelijks toe te passen snaartheorie.