Hoe ontstaan interstellaire wolken?
De schoonheid en de variatie die het heelal kent komt van oorsprong uit de volgende drie actieve manifestaties in het ons bekende heelal:
De manifestatie van de ons bekende vaste materie zoals sterren en sterrenstelsels.
De manifestatie van stof- en gaswolken.
De manifestatie van zwaartekrachtvelden, magneetvelden en Higgsvelden.
Kijken we op een donkere nacht naar boven, al dan niet door een telescoop, dan zien we een overvloed aan flonkerende lichten. De materie in het heelal manifesteert zich aan ons in zijn overweldigende schoonheid. Een schoonheid die gevormd wordt door natuurkundige krachten. Deze krachten maken het mogelijk dat de sterren door middel van kernfusie hun schoonheid aan ons kunnen laten zien. Kijken we op een heldere avond door een eenvoudige sterrenkijker naar de planeet Jupiter dan zien we in al zijn grootsheid de planeet met zijn manen. Het vertelt ons van de eenzaamheid en de leegte van de ruimte.
Sterren en sterrenstelsels
De sterren en sterrenstelsels zijn de meest onderzochte manifestatie van ons heelal. En dan te bedenken dat we slechts het topje van de ijsberg zien. Het grootste deel van de materie blijft voor ons verborgen. Hoe groot we onze telescopen ook maken en hoe geavanceerd onze meetinstrumenten ook zijn. Ondanks de ontelbare hoeveelheden aan sterren en sterrenstelsels en gaswolken maken ze samen nauwelijks 5% van de materie in ons heelal uit. De rest is nog een groot raadsel.
Stof- en gaswolken
De interstellaire wolken zijn wolken tussen de sterren. Daar is het heelal dus niet leeg. Ze worden ook wel gasnevels genoemd. Het zijn uitgestrekte gebieden in de ruimte die voornamelijk bestaan uit gas en stofdeeltjes. Het gas is vooral waterstof. Er zijn verschillende soorten nevel te onderscheiden.
Donkere nevels zijn grote stofwolken die soms lichtjaren groot zijn. Deze wolken houden alle licht tegen waardoor ze zich manifesteren als een donker gat, bijvoorbeeld de Kolenzaknevel.
Emissienevels zijn bijvoorbeeld te zien in de Orionnevel waarin nog stervorming plaats vindt. Het gas genereert voldoende warmte om zelf licht uit te zenden.
- Nevels die als restant van een supernova overblijven zijn supernovarestanten. Deze supernovarestanten zijn emissienevels daar de schokgolven van de explosie het omringende gas en stof verhitten en ioniseren, waardoor het gaat gloeien en zijn eigen licht uitstraalt. Deze wolken zijn de kraamkamer van de sterren en zijn van groot belang voor het begrijpen van de evolutie van sterrenstelsels.
Reflectienevels zenden geen eigen licht uit maar reflecteren licht van de eigen sterren, of de sterren in de directe omgeving.
Ontstaan van meer gecompliceerde moleculen
Door de invloed van kosmische straling en UV-licht van sterren worden sommige atomen geïoniseerd. (De elektronen worden eraf gehaald). Hierdoor kunnen ionen later weer recombineren met andere geladen deeltjes waardoor meer gecompliceerde moleculen ontstaan. Sterren zenden dat UV-licht ook uit. Door fotodissociatie kunnen moleculen breken in losse atomen. Vooral waterstofmoleculen zijn gevoelig voor dit proces. Door katalyse op stofdeeltjes worden chemische reacties versneld. Onder deze chemische processen verstaan we de vorming van moleculen zoals waterstof (H2), Koolmonoxide (CO), Water (H2O) en Methaan (CH4). Zonder stofdeeltjes zouden veel moleculaire reacties in de ijle stofwolken nauwelijks plaats vinden.
Ontstaan van structuren
Naast chemische chemische processen zijn er ook fysische processen. Onder fysische processen verstaan we de thermische bewegingen van deeltjes. Atomen en moleculen zijn voortdurend in beweging ten gevolge van de thermische energie. Deze energie heeft invloed op de dichtheid en de dynamiek van de wolk.
Onder invloed van de zwaartekracht bewegen de gas- en stofdeeltjes naar elkaar toe, waardoor de wolk samentrekt en er sterren kunnen ontstaan. Dit heet de gravitatie-instabiliteit.
Interstellaire wolken zijn niet homogeen waardoor er turbulente bewegingen ontstaan waardoor de verdeling van de materie verandert.
De ‘zwakke’ magnetische velden beïnvloeden de transporten van geladen deeltjes waardoor filamenten en structuren binnen de wolken kunnen ontstaan.
De energie en straling van nabijgelegen sterren of supernova’s hebben invloed op de temperatuur en ionisatiegraad van de wolken. Dit bevordert de chemische werking en heeft invloed op de samenstelling en de evolutie van de wolk.
De fenomenen magneetvelden en zwaartekrachtvelden zijn fundamenteel verschillende krachten, maar beide fenomenen komen in de interstellaire wolken voor en ook gelijktijdig. De zwaartekracht voor het ontstaan van de wolken en de magneetvelden zijn een gevolg van het ontstaan van de interstellaire wolken.
Magnetische velden in interstellaire wolken
In de uitgestrekte leegtes van het heelal (minder dan één atoom per cm3) bevinden zich de interstellaire wolken van stof- en gas, ook wel nevels genoemd. Deze nevels zijn de bron van sterren en planeten. Een spectaculaire nevel is de ‘Pillars of Creation’ in de Arendnevel.
De wortels van de kosmische magneetvelden zijn te vinden in het vroege heelal, kort na de oerknal. Mogelijk veroorzaakten kwantumfluctuaties zwakke zogenaamde zaadvelden waardoor faseovergangen en asymmetrieën ontstonden. Deze zwakke velden hebben zich verspreid en versterkt via allerlei kosmische processen. In de context van de interstellaire wolken spelen lokale processen een rol. De belangrijkste oorzaken voor het ontstaan en versterken van magnetische velden zijn te vinden in de dynamiek van het gas en de interactie met kosmische straling.
Dynamo-effect
Eén van de centrale mechanismes achter het ontstaan en het versterken van magnetische velden is het ‘dynamo-effect’. Dit fenomeen treedt op wanneer geleidende vloeistoffen, zoals geïoniseerd gas, bewegen in een bestaand (zwak) magnetisch veld. Door deze bewegingen kunnen elektrische stromen ontstaan die op hun beurt het magnetisch veld versterken of nieuwe velden creëren. In interstellaire wolken zijn dergelijke bewegingen alom tegenwoordig. Turbulentie, schokgolven door supernova’s of botsende wolken en rotatie veroorzaken voortdurend het verplaatsen van plasma. Hierdoor kunnen aanvankelijk zwakke magnetische velden in de loop van miljoenen jaren aan kracht winnen. Hoewel maar een kleine fractie van het interstellaire gas geïoniseerd is door ultraviolette straling of kosmische straling, zijn deze geïoniseerde deeltjes van fundamenteel belang. Ze maken het mogelijk dat het gas als geheel elektrisch geleidend wordt en kunnen elektrische stromen vloeien en reageren op magneetvelden. Dit is een voorwaarde voor het dynamo-effect.
Het bestaan en de structuur van magnetische velden is af te leiden uit verschillende waarnemingsmethoden:
Stofdeeltjes oriënteren zich langs magnetische veldlijnen waardoor het licht in de wolk polariseert. dat is de wetenschap van de polarimetrie. Hierdoor kunnen onderzoekers de richting en de veldsterkte van het magneetveld bepalen.
Atomaire spectraallijnen splitsen zich in een magnetisch veld. De splitsing is groter naarmate de veldsterkte ook groter is. Dit is het Zeemaneffect.
Versnelde geladen deeltjes zenden straling uit in sterke magneetvelden, wat meetbaar is aan de radiogolflengten. Dit heet synchrotronstraling.
De magnetische velden hebben invloed op het stervormingsproces in interstellaire wolken. Ze kunnen de samentrekking van de gaswolken vertragen of beperken. Hierdoor kunnen er zwaardere sterren ontstaan. De magnetische velden kunnen helpen bij het afvoeren van overtollig hoekmoment. Dat is de hoeveelheid draaibeweging. Dat is een voorwaarde voor het ineenstorten van de materie van de gaswolk tot een ster.
Hoewel veel aspecten van magnetische velden nog onderwerp van onderzoek zijn, tonen waarnemingen en theorieën aan dat deze krachten diep verweven zijn met de bouwstenen van het universum. Het begrijpen van het ontstaan van magnetische velden geeft een breder inzicht in de dynamiek van het heelal.
Zwaartekrachtvelden in interstellaire wolken
Elk atoom bezit massa en heeft daardoor een zwaartekrachtveld om zich heen. Bij een gemiddelde dichtheid van 1 atoom per cm3 is de afstand tussen twee atomen maximaal ½ cm. Deze afstand is blijkbaar klein genoeg om het zwaartekrachtveld invloed te laten uitoefenen waardoor, over miljoenen jaren gerekend, de atomen naar elkaar toe bewegen. Door deze samentrekking wordt het effect van de zwaartekracht steeds groter. Dit proces wordt de gravitationele instabiliteit genoemd. Wanneer (een deel van) een interstellaire wolk voldoende massa heeft begint de zwaartekracht het gas en stof samen te drukken. Het resultaat is dat er steeds dichtere kernen ontstaan. Naarmate de dichtheid en de temperatuur stijgen, kan er uiteindelijk kernfusie ontstaan. En dat is het begin van een nieuwe ster. Zonder zwaartekracht zou dit proces simpelweg niet bestaan. maar zoals gezegd spelen er binnen de interstellaire wolken ook krachten een rol die kunnen meewerken of tegenwerken.
De zwaartekracht wil de materie comprimeren maar wordt tegengewerkt door de druk van het gas dat naar buiten gericht is. Pas als zwaartekracht sterker is dan de tegenwerkende krachten, stort de wolk in en ontstaan er sterren. Toeval bepaalt welk deel van de interstellaire wolk samentrekt. Dat kunnen grote eenheden zijn of fragmenten. Deze fragmenten vormen vaak meerdere sterren die dan als een cluster geboren worden. Dit verklaart waarom de meeste sterren in groepen voorkomen en eenlingen zeldzaam zijn.
Op lange termijn leidt de zwaartekracht tot de evolutie en uiteindelijke dispersie van interstellaire wolken. Het groeien van de sterren wordt mogelijk gemaakt doordat ze, onder invloed van de zwaartekracht, steeds meer materie uit de wolk ‘opeten’. Door het op gang komen van de kernfusie ontstaat er straling waardoor de nieuwe sterren het resterende gas wegblazen. De wolk verdwijnt. De zwaartekracht heeft dus niet alleen invloed op het ontstaan van sterren, maar ook op het leven en sterven van de interstellaire wolken zelf.
De Higgsvelden
Het Higgsveld is een onzichtbaar veld dat overal in het universum aanwezig is. Volgens de huidige natuurkundige theorieën, met name het Standaardmodel, zorgt dit veld ervoor dat elementaire deeltjes massa krijgen. Wanneer deeltjes door het Higgsveld bewegen, ondervinden ze als het ware weerstand, waardoor ze massa verkrijgen. Het Higgsdeeltje, ook wel het Higgsboson genoemd, werd in 2012 experimenteel aangetoond en bevestigde het bestaan van dit veld. Zonder het Higgsveld zouden de meeste deeltjes geen massa hebben en zou materie, zoals wij die kennen, niet kunnen bestaan.
Samenvattend
De zwaartekracht binnen de interstellaire wolken is de bepalende kracht die stervorming mogelijk maakt, de structuur van de wolken beïnvloedt en uiteindelijk de evolutie van het interstellaire medium vormgeeft. Zonder zwaartekracht zouden we niet kunnen genieten van de schoonheid van onze sterrenhemel.
   
   
ChatGPT
