30    Het onbekende

De economische toekomst is onbekend
Marcel Boumans

Tussen twee wereldbeelden
Gerard van den Akker

Het evoluerende heelal: sterren, planeten en leven
Marco Spaans

Het onbekende in de wiskunde
Ronald Meester

Beeldreportage: Ziende blind
Yavanne van Tiggelen

Column: Onbekend bewijs
Jan Koeleman

colofon  issn 1879-8144  19 december 2012

Alle edities   Vakgebieden            
English   Over Blind       Vacatures
Volg ons:               
© 2004–2019 Blind    disclaimer   cookies

 

BLIND
30
 online interdisciplinair tijdschrift  
BLIND 30
alle edities      



zoeken + vakgebieden       



random editie       



vorige editie       



volgende editie       
naar boven       

In dit artikel wordt u meegenomen in de geschiedenis van ons heelal en hoe hieruit uiteindelijk leven kan ontstaan. Via de oerknal, het vormen van de Melkweg en het ontstaan van de eerste onderdelen van leven, wordt bekeken wat nodig is voor het ontstaan van leven. Ook wordt een uitstapje gemaakt om te bekijken hoe we leven in het heelal kunnen ontdekken.

Prof. Dr. Marco Spaans promoveerde in 1995 Cum Laude aan de Universiteit van Leiden. Hij werkte op de Johns Hopkins en Harvard University. Nu is hij professor in het Kapteyn Astronomical Institute aan de Rijksuniversiteit Groningen. Hij doet onder andere onderzoek naar de eerste sterren en zwarte gaten, quantumzwaartekracht en astrobiologie. Momenteel geeft hij ook een cursus Astrobiologie aan de Rijksuniversiteit Groningen.


Lees het artikel

BLIND 30 - Het onbekende
sluiten


Redactie

Petra van der Kooij
Daniel Doodkorte
Inga Aarts
Arda van Tiggelen


Redactieraad

Machiel Keestra
Wim Ghijsen
Bernrd Kruithof


klik hier voor huidige redactie


sluiten

Het evoluerende heelal: sterren, planeten en leven

              
alle bijdragen van deze auteur
korte inleiding & meer over de auteur
all articles by this author
short intro & about the author
artikel door Marco Spaans

Ons universum is gevuld met sterren en planeten, vele miljarden maal miljarden in getal. Om te begrijpen hoe dit zo is gekomen, en hoe er leven kan ontstaan op planeten, zijn principes uit de sterrenkunde, natuurkunde, scheikunde en biologie nodig. We beginnen met een geschiedenis van het heelal en richten ons daarna op sterren, planeten en leven.

Met de oerknal ontstond de ruimte en tijd, alsmede de massa en energie, die wij nu ons universum noemen. Dit is ongeveer 14 miljard jaar geleden. Gedurende een korte periode, minder dan drie minuten, doorliep ons universum een scala aan fases. Het is goed om die fysisch te benoemen omdat, hoe kort ook, deze fases aan de basis liggen van hoe ons universum nu is. Van 10-43 sec (de Planck tijd: het kortste tijdinterval dat de Natuur kan meten) tot 10-38 sec spreekt men eerst van kwantumzwaartekracht, als een combinatie van de kwantummechanica en de relativiteitstheorie van Einstein. Tijdens deze periode is er een tijdruimte met exotische objecten als wormgaten en tijdlussen. Tevens zijn de fundamentele krachten geünificeerd. Na 10-38 sec splitsten de 4 fundamentele krachten zich af (zwaartekracht, elektromagnetisme, sterke en zwakke kernkracht). Gedurende bovenstaande periodes dijde het universum ook zeer snel uit, dit heet inflatie, en werden er kleine fluctuaties in de massadichtheid gevormd die we tot de dag van vandaag zien als sterrenstelsels. Gedurende 10-10 - 10-3 sec, de deeltjesfase, werden ondermeer quarks en elektronen gevormd, en ontstond de huidige onbalans tussen materie en antimaterie. Nucleosynthese, waarbij protonen en neutronen atomen als waterstof of helium vormen, voltrok zich na enkele minuten.

Na deze heftige vroege ontwikkelingen was het, met bijna 400.000 jaar op de klok van het universum, tijd voor ionen, elektronen en straling om niet langer in evenwicht te zijn. Vanaf dat moment kon de zwaartekracht goed vat krijgen op materie. De dichtheidsfluctuaties die in het zeer jonge heelal waren gevormd, konden toen beginnen te groeien tot structuren als sterren en sterrenstelsels, maar hierover straks meer. De kosmische achtergrondstraling ontstond na 400.000 jaar, toen licht definitief ontsnapte aan de sterk absorberende invloed van elementen als waterstof en helium. Deze straling is de gloed van de oerknal, een gloed die wij tot de dag van vandaag kunnen waarnemen met telescopen in het millimeter-gebied van het elektromagnetisch spectrum. Het heelal dijt namelijk uit en omdat het dat doet, is het mogelijk dat licht uitgezonden in het verleden ons pas nu in het heden bereikt. Een zeer plezierige bijkomstigheid die het onbekende verleden van ons universum toch (deels) ontsluit.

Met het verder afkoelen van materie na 400.000 jaar, de gemiddelde temperatuur in het heelal was toen plusminus 3000 graden Celsius (half zo warm als het oppervlak van onze Zon), begon zich structuur te vormen onder de invloed van zwaartekracht. Grote massa’s van gas klonterden samen en vormden de eerste sterren en sterrenstelsels na ongeveer 100-200 miljoen jaar. De vorming van deze structuren is hiërarchisch, dus kleine condensaties vormen eerst en bouwen zo grotere systemen op. De eerste sterren waren zeer massief, tot honderd maal de massa van onze Zon, en leefden slechts 1-10 miljoen jaar (dit is kosmisch gezien kort). Hun einde gaat gepaard met een zeer krachtige explosie, een supernova, waarbij het inwendige van de ster voor een groot deel de interstellaire ruimte in wordt geblazen. De interstellaire ruimte is alles wat zich tussen de sterren in bevindt en bestaat grotendeels uit ijle gaswolken. Omdat kernfusie in een ster zorgt voor de bouw van zwaardere elementen als koolstof, stikstof, zuurstof, silicium, zwavel en ijzer, veroorzaken de eerste supernova explosies een chemische verrijking van het interstellaire medium. Een verrijking waar volgende generaties sterren van profiteren. Tot de dag van vandaag worden er nieuwe sterren gevormd. Onze eigen Melkweg, met haar 100 miljard sterren, vormt ieder jaar 1-3 sterren.

Sterren worden gevormd uit de ijle gaswolken in het interstellaire medium, zowel in het vroege heelal als nu. Wanneer een gaswolk ineenstort onder de invloed van de zwaartekracht, vindt sterke contractie plaats; het gas is nagenoeg in vrije val. Maar alleen als een gaswolk in staat is om zijn temperatuur laag (minder dan ongeveer 300 graden Celsius) te houden, kan de ineenstorting zich ver genoeg doorzetten. Dit laatste klinkt paradoxaal, want de kern van een ster is juist miljoenen graden Celsius. Echter, er dient eerst genoeg massa en dichtheid opgebouwd te worden voor een ster. Als de temperatuur te snel omhoog gaat, dan vindt de ineenstortende gaswolk een hydrostatisch evenwicht bij een dichtheid en temperatuur die kernfusie niet mogelijk maken. Het is dus de thermodynamica van gas die samen met de zwaartekracht bepaald of sterren worden gevormd. Dat wil niet zeggen dat we al precies begrijpen hoeveel sterren van welke massa worden gevormd voor bepaalde begincondities in een gaswolk, maar er is voortgang.

Het proces van stervorming zorgt ervoor dat er nu überhaupt licht is in het heelal. Het is hierbij goed om zich te realiseren dat alle sterren die nu aan de hemel staan, daar niet altijd zijn geweest. Ze zijn gevormd uit interstellair gas en eindigen hun bestaan na miljoenen of zelfs miljarden jaren, wanneer kernfusie het meest stabiele element ijzer heeft bereikt. Onze eigen Melkweg is 10 miljard jaar oud en onze Zon 'slechts' 5 miljard jaar. Op dit moment wordt ons universum nog steeds (zelfs versneld) groter en zijn er vele miljarden sterrenstelsels gevormd, met in elk van hen vele miljarden sterren met planetenstelsels.

Laten we nu de stap maken naar planeten, en mogelijk leven. Omdat de moederwolk waarin een ster gevormd wordt altijd wel enige rotatie vertoont, zal zij steeds sneller gaan draaien tijdens de ineenstorting. Dit leidt tot de vorming van een schijf rond het centrale deel van de wolk. De kern van de wolk vormt een proto-ster. De schijf erom heen heet de proto-planetaire schijf en in deze schijf vormen zich planeten. Ook planeten worden gevormd onder invloed van de zwaartekracht, maar een belangrijke rol wordt tevens gespeeld door stofdeeltjes. Denkt u hierbij aan roet (koolstof) en fijn zand (silicium) dat gevormd wordt in de ejecta van bijvoorbeeld supernova explosies. Deze stofdeeltjes kunnen aan elkaar plakken onder invloed van zwakke moleculaire krachten, zogeheten van der Waalskrachten (die ook de tenen van een gekko in staat stellen zich aan een oppervlak te hechten).De samenklontering van stofdeeltjes tot klompen brengen het planeetvormingsproces op gang. De zwaartekracht zorgt ervoor dat er planetesimalen, mini-planeten van meer dan een km in straal, ontstaan die met elkaar botsen tot grote planeten als Jupiter en Saturnus (gasreuzen) of Mars en de Aarde (rotsplaneten).

Via deze agglomeratie blijven er slechts een beperkt aantal, relatief grote, planeten over die gezamenlijk een planetenstelsel vormen rond een ster. Tot 10 jaar geleden was het onbekend of andere sterren planetenstelsels kunnen hebben als onze Zon. In de afgelopen jaren zijn er echter een groot, en immer toenemend, aantal exoplaneten ontdekt. De teller staat nu op meer dan 800. Sommige van deze planetenstelsels hebben een centrale ster die veel lijkt op onze Zon. Interessant is dat er nu een handjevol planeten zijn die maar iets massiever zijn dan de Aarde en dat er planeetatmosferen gedetecteerd zijn met koolstof- en zuurstofverbindingen. Het is slechts een kwestie van tijd voordat een heuse tegenhanger van de Aarde wordt gevonden in astronomisch opzicht, maar de theorie van planeetvorming is niet af. Met name de vorming van rotsblokken tussen een meter en een kilometer, een cruciale stap, lijkt niet te kunnen profiteren van de zwaartekracht of van de van der Waals krachten.

Het maken van leven op een planeet heeft veel voeten in de aarde en doet de sterrenkunde raken aan de scheikunde en biologie. Kijkend naar de Aarde, de enige wereld met leven die we kennen, vallen een aantal zaken op. De Aarde staat op een goede afstand van de Zon, een niet al te sterke gele ster. Hierdoor is de temperatuur op Aarde ongeveer 20 graden Celsius gemiddeld, een prima temperatuur voor biochemische processen. De Aarde is rijk aan water, een polair molecuul, dat grotendeels vloeibaar is en een goed oplosmiddel vormt. Als een planeet vloeibaar water heeft, of een temperatuur als de Aarde, dan zegt men dat deze planeet zich in de leefbare zone rond een ster bevindt. De Aarde heeft genoeg massa om een chemisch actieve atmosfeer vast te houden, dit terwijl de atmosfeer van Mars is weggelekt. Onze Maan zorgt voor een stabiele rotatie-as en dito seizoenen. Onze Zon is een relatief lichte ster die wel 10 miljard jaar kan stralen, zodat er genoeg tijd is om leven te laten ontstaan. Deze tijd is ook nodig. De stap van eenvoudige aminozuren naar DNA binnenin een cel heeft, op Aarde, langer geduurd dan een miljard jaar. Dit terwijl meer complexere levensvormen als vissen en zoogdieren in de loop van miljarden jaren zijn geëvolueerd volgens de ideeën van Darwin. Het magnetisch veld van de Aarde houdt veel geladen deeltjes (soms zichtbaar als het noorderlicht) weg van ons oppervlak. Dit voorkomt al te snelle beschadiging van mutaties in het DNA van complexe levensvormen. Al met al kent de Aarde de nodige voorwaarden voor het ondersteunen van leven, maar het maken van leven is wat anders.

De scheikunde van leven, de onze is een koolstofchemie, kan alleen aanvangen nadat sterren de basiselementen (C, N, O, S, Si, Fe, etc.) hebben gevormd middels kernfusie en zijn geëxplodeerd. De uitspraak 'wij zijn sterrenstof' is dus volledig correct, maar laten we wat beter kijken naar (bio-)moleculen. Moleculen als CO2, H2O, CH4 en H2CO worden chemisch gemakkelijk gevormd in interstellaire wolken middels gasfase reacties en/of via katalytische reacties op stofdeeltjes (het eerder genoemde roet en fijn zand). In de gasfase van de interstellaire ruimte zijn moleculen als suiker en alcohol ontdekt. Op meteorieten zijn zelfs vele verschillende aminozuren gevonden. Het lijkt er dus op dat complexe moleculen als aminozuren, de bouwstenen voor DNA en RNA, gevormd kunnen worden buiten de omgeving van (proto-)planeten. Dit voedt het idee dat dergelijke bouwstenen, samen met de grote hoeveelheden waterijs die meteorieten bevatten, neer kunnen regenen op jonge planeten tijdens hun opbouwfase. Het krateroppervlak van onze Maan en geologisch onderzoek van de Aarde tonen aan dat dit in het verleden veelvuldig is gebeurd.

De belangrijkste stap naar leven in biologisch opzicht is de cel. Hier is ook veel onbekend, omdat beschikbare geologische informatie niet de eerste miljard jaar van biologische activiteit op Aarde bestrijkt. Het lijkt erop dat lipides (vetten) goed in staat zijn om een membraam te vormen en zo een notie van binnenkant en buitenkant te introduceren. Ook kwam RNA waarschijnlijk voor DNA. Met de vorming van cellen is er nog een lange weg te gaan naar vissen, vogels, reptielen en zoogdieren. Een belangrijk aspect in deze is, ironisch genoeg, massa-extinctie. Er zijn op Aarde een aantal periodes geweest (bijvoorbeeld 65 en 340 miljoen jaar geleden) waarbij 80-90% van alle levensvormen uitstierf. Een inslag door een meteoriet, eventueel gecombineerd met vulkanische activiteit, lijkt hiervoor de oorzaak. Na een dergelijke periode volgde echter ook een enorme toename aan biodiversiteit. De beter aangepaste diersoorten vulden de ontstane leemtes en evolutie maakte een grote sprong (voorwaarts is hierbij een relatief begrip). Zo hebben wij als zoogdieren ook de plaats ingenomen van de sauriërs.

Hoe nu verder met het ontdekken en begrijpen van het onbekende in de astrobiologie? Er is een keten van gebeurtenissen die reikt van de allervroegste fases in het heelal via de vorming van sterren en planeten tot aan de Aarde nu. Iedere schakel in die keten dient verder onderzocht te worden, met gepaste verwondering. Het pad dat wij als soort tot nu toe hebben afgelegd, met een brein dat in staat is tot complexe taal en abstracte ideeën, hoeft niet typisch te zijn voor het leven in het heelal. Reden te meer om ons universum verder te onderzoeken.

Lees nóg een artikel over

biologie

natuurkunde

scheikunde

sterrenkunde


of lees verder in

of deel

                   

Noten en/of literatuur

Ehrenfreund, Spaans & Holm (2011). Philosophical Transactions of the Royal Society A, 369, 538: The evolution of organic matter in space.

Gilmour, I. & Sephton, M. A. (2004). An Introduction to Astrobiology. Cambridge: University Press.

Informatie over het vak astrobiologie, gegeven door Marco Spaans aan de Rijksuniversiteit Groningen: www.astro.rug.nl/~spaans/astrobiology.html.

Reageren




De redactie behoudt zich het recht voor om reacties in te korten of te verwijderen indien daar reden toe is.


           


Lees nóg een artikel over

biologie

natuurkunde

scheikunde

sterrenkunde



Alle edities   Vakgebieden  
             
Wilt u op de hoogte gehouden worden van nieuwe edities en activiteiten van Blind? Meldt u aan voor onze digitale nieuwsbrief:



Het e-mailadres wordt alleen gebruikt voor toezending van de e-mail met de links naar de nieuwe editie. Het adres staat opgeslagen bij MailChimp. MailChimp hanteert een eigen privacybeleid waarmee u instemt als u zich abonneert op onze nieuwsbrief. Elke nieuwsbrief toont een link waarmee toezending kan worden gestopt. Om uw adres eventueel nog te laten verwijderen uit het opzeggingenbestand stuurt u een e-mail aan redactie@ziedaar.nl.