De sterren hebben mensen sinds onheuglijke tijden gefascineerd. Dankzij de moderne wetenschap weten we heel veel over sterren, over hun verschillende typen en structuren. De kennis van dit onderwerp wordt voortdurend bijgewerkt en verfijnd; astrofysici speculeren over een aantal theoretische sterren die mogelijk in ons universum voorkomen. Naast theoretische sterren zijn er ook sterachtige objecten, astronomische structuren die eruitzien en zich gedragen als sterren, maar niet de standaardkenmerken hebben die we sterren noemen. De objecten op deze lijst staan aan de vooravond van natuurkundig onderzoek en zijn niet direct waargenomen … nog niet.
Quark-ster
Aan het einde van zijn levensduur kan een ster instorten tot een zwart gat, een witte dwerg of een neutronenster. Als de ster voldoende dicht is voordat hij een supernova wordt, zullen de stellaire resten een neutronenster vormen. Wanneer dit gebeurt, wordt de ster extreem heet en dicht. Met dergelijke materie en energie probeert de ster in zichzelf in te storten en een singulariteit te vormen, maar de fermionische deeltjes in het centrum (in dit geval neutronen) gehoorzamen aan het Pauli-principe. Volgens hem kunnen neutronen niet worden gecomprimeerd tot dezelfde kwantumtoestand, dus worden ze afgestoten door de instortende materie en bereiken ze een evenwicht.
Decennia lang hebben astronomen aangenomen dat de neutronenster in evenwicht zou blijven. Maar naarmate de kwantumtheorie zich ontwikkelde, stelden astrofysici een nieuw type ster voor dat zou kunnen verschijnen als de degeneratieve druk van de neutronenkern ophield. Het wordt een quarkster genoemd. Naarmate de druk van de massa van de ster toeneemt, vervallen neutronen in hun constituenten, up en down quarks, die onder hoge druk en hoge energie in een vrije staat zouden kunnen bestaan, in plaats van hadronen zoals protonen en neutronen te produceren. Deze quarksoep, die "vreemde materie" wordt genoemd, zou ongelooflijk dicht en dichter zijn dan een gewone neutronenster.
Astrofysici debatteren nog steeds over hoe deze sterren precies zouden kunnen zijn ontstaan. Volgens sommige theorieën komen ze voor wanneer de massa van de instortende ster tussen de massa ligt die nodig is om een zwart gat of neutronenster te vormen. Anderen suggereren meer exotische mechanismen. De leidende theorie is dat quarksterren ontstaan wanneer dichte pakketten van reeds bestaande vreemde materie, gewikkeld in zwak interacterende deeltjes (WIMP's), in botsing komen met een neutronenster, de kern bezaaien met vreemde materie en een transformatie in gang zetten. Als dit gebeurt, zal de neutronenster een "korst" van neutronenster-materiaal behouden, die er in feite uitziet als een neutronenster, maar tegelijkertijd een kern van vreemd materiaal bezit. Hoewel we nog geen quarksterren hebben gevonden,veel van de waargenomen neutronensterren zouden in het geheim kunnen zijn.
Promotie video:
Elektrozwakke sterren
Hoewel een quarkster de laatste fase in het leven van een ster kan zijn voordat hij sterft en een zwart gat wordt, hebben natuurkundigen onlangs een andere theoretische ster voorgesteld die zou kunnen bestaan tussen een quarkster en een zwart gat. Een zogenaamde elektrozwakke ster zou het evenwicht kunnen handhaven door een complexe interactie tussen een zwakke kernkracht en elektromagnetische kracht die bekend staat als elektrozwakke kracht.
In een elektrozwakke ster zouden de druk en energie van de massa van de ster op de vreemde materiekern van de quarkster drukken. Naarmate de energie toeneemt, zouden de elektromagnetische en zwakke nucleaire krachten zich vermengen, zodat er geen verschil zou zijn tussen de twee krachten. Op dit energieniveau lossen de quarks in de kern op in leptonen, zoals elektronen en neutrino's. De meeste vreemde materie zal in neutrino's veranderen en de vrijgekomen energie zal genoeg kracht leveren om te voorkomen dat de ster instort.
Wetenschappers zijn geïnteresseerd in het vinden van een elektrozwakke ster omdat de kenmerken van de kern identiek zouden zijn aan die van het jonge universum, een miljardste van een seconde na de oerknal. Op dat punt in de geschiedenis van ons universum was er geen onderscheid tussen een zwakke kernkracht en elektromagnetische kracht. Het bleek vrij moeilijk te zijn om over die tijd theorieën te formuleren, dus een vondst in de vorm van een elektrozwakke ster zou kosmologisch onderzoek aanzienlijk helpen.
Een elektrozwakke ster moet ook een van de dichtste objecten in het universum zijn. De kern van een elektrozwakke ster zou zo groot zijn als een appel, maar ongeveer twee aardes in massa, waardoor zo'n ster in theorie dichter is dan elke eerder waargenomen ster.
Object Thorn - Zhitkova
In 1977 publiceerden Kip Thorne en Anna Zhitkova een paper waarin een nieuw type ster werd beschreven, het Thorn-Zhitkova Object (OTZ). OTZ is een hybride ster die is gevormd door de botsing van een rode superreus en een kleine, dichte neutronenster. Omdat de rode superreus een ongelooflijk grote ster is, zal het honderden jaren duren voordat een neutronenster gewoon door de innerlijke atmosfeer heen breekt. Terwijl het zich in de ster nestelt, zal het orbitale centrum (zwaartepunt) van de twee sterren naar het centrum van de superreus bewegen. Uiteindelijk zullen de twee sterren samensmelten tot een grote supernova en uiteindelijk een zwart gat.
Wanneer OTZ wordt waargenomen, zou het aanvankelijk lijken op een typische rode superreus. Toch zou OTZ een aantal ongebruikelijke eigenschappen hebben voor een rode superreus. Niet alleen zal de chemische samenstelling ervan verschillen, maar een neutronenster die erin graaft, zal van binnenuit radiovlammen uitzenden. Het is nogal moeilijk om OTL te vinden, omdat het niet veel verschilt van de gewone rode superreus. Bovendien wordt OTZ eerder gevormd, niet in onze galactische omgeving, maar dichter bij het centrum van de Melkweg, waar de sterren dichter op elkaar staan.
Dit weerhield astronomen er echter niet van om op zoek te gaan naar een kannibaalster, en in 2014 werd aangekondigd dat de superreus HV 2112 een mogelijke OTZ zou kunnen zijn. Wetenschappers hebben ontdekt dat HV 2112 een ongewoon hoge hoeveelheid metaalelementen bevat voor rode superreuzen. De chemische samenstelling van HV 2112 komt overeen met wat Thorne en Zhitkova in de jaren zeventig aannamen, dus astronomen beschouwen deze ster als een krachtige kandidaat voor de eerste waargenomen OTG. Verder onderzoek is nodig, maar het zou gaaf zijn om te denken dat de mensheid de eerste kannibaalster heeft ontdekt.
Bevroren ster
Een gewone ster verbrandt waterstof als brandstof, maakt helium en ondersteunt zichzelf met de druk van binnenuit, geboren in het proces. Maar op een dag raakt de waterstof op en uiteindelijk moet de ster zwaardere elementen verbranden. Helaas is de energie die ontsnapt uit deze zware elementen niet zo veel als die van waterstof, en de ster begint af te koelen. Wanneer een ster supernova wordt, bezaait het het universum met metalen elementen, die vervolgens deelnemen aan de vorming van nieuwe sterren en planeten. Naarmate het universum ouder wordt, exploderen steeds meer sterren. Astrofysici hebben aangetoond dat samen met de veroudering van het heelal ook het totale metaalgehalte toeneemt.
In het verleden was er praktisch geen metaal in sterren, maar in de toekomst zullen sterren een aanzienlijk grotere hoeveelheid metaal hebben. Naarmate het universum ouder wordt, zullen nieuwe en ongebruikelijke soorten metalen sterren ontstaan, waaronder hypothetische bevroren sterren. Dit type ster werd in de jaren negentig voorgesteld. Met de overvloed aan metalen in het universum, hebben nieuw gevormde sterren lagere temperaturen nodig om hoofdreekssterren te worden. De kleinste sterren met een massa van 0,04 stellair (in de orde van de massa van Jupiter) kunnen hoofdreekssterren worden, waarbij kernfusie gehandhaafd blijft bij temperaturen van 0 graden Celsius. Ze zullen worden bevroren en omgeven door wolken bevroren ijs. In de verre, verre toekomst zullen deze bevroren sterren de meeste gewone sterren in het koude en sombere universum verdringen.
Magnetosferisch eeuwig instortend object
Iedereen is er al aan gewend dat er veel onbegrijpelijke eigenschappen en paradoxen worden geassocieerd met zwarte gaten. Om op de een of andere manier het hoofd te bieden aan de problemen die inherent zijn aan de wiskunde van zwarte gaten, hebben theoretici een hele reeks stervormige objecten verondersteld. In 2003 verklaarden wetenschappers dat zwarte gaten eigenlijk geen singulariteiten zijn, zoals ze gewend zijn, maar een exotisch type ster zijn dat "magnetosferisch voor altijd instortend object" wordt genoemd (MVCO, MECO). Het MVCO-model is een poging om een theoretisch probleem aan te pakken: de materie van het instortende zwarte gat lijkt sneller te bewegen dan de lichtsnelheid.
MVCO vormt als een gewoon zwart gat. Zwaartekracht overtreft materie en materie begint in zichzelf in te storten. Maar in MVCO creëert de straling die ontstaat door de botsing van deeltjes een interne druk die vergelijkbaar is met de druk die wordt gegenereerd tijdens het fusieproces in de kern van de ster. Hierdoor blijft MVCO absoluut stabiel. Het vormt nooit een waarnemingshorizon en stort nooit volledig in. Zwarte gaten zullen uiteindelijk in zichzelf instorten en verdampen, maar het instorten van de MVCO zal oneindig veel tijd kosten. Het is dus in een staat van voortdurende instorting.
De MVCO-theorieën lossen veel zwarte gatproblemen op, waaronder het informatieprobleem. Omdat de MVCO nooit instort, is er geen probleem van informatievernietiging, zoals in het geval van een zwart gat. Hoe geweldig de MVKO-theorieën ook zijn, de natuurkundige gemeenschap verwelkomt ze met grote scepsis. Van quasars wordt aangenomen dat het zwarte gaten zijn die worden omgeven door een lichtgevende schijf. Astronomen hopen een quasar te vinden met de exacte magnetische eigenschappen van de MVCO. Tot dusver is er nog geen gevonden, maar misschien zullen nieuwe telescopen die zwarte gaten gaan bestuderen licht werpen op deze theorie. MVKO blijft intussen een interessante oplossing voor de problemen van zwarte gaten, maar verre van een leidende kandidaat.
Bevolkingssterren III
We hebben het al gehad over de bevroren sterren die tegen het einde van het universum zullen verschijnen, wanneer alles te metaalachtig wordt om hete sterren te vormen. Maar hoe zit het met sterren aan de andere kant van het spectrum? Deze sterren, gevormd uit de oergassen die zijn overgebleven van de oerknal, worden Populatie III-sterren genoemd. Het stellaire populatiediagram werd in de jaren veertig geïntroduceerd door Waltor Baade en beschreef het metaalgehalte van een ster. Hoe ouder de bevolking, hoe hoger het metaalgehalte. Lange tijd waren er maar twee sterpopulaties (met de logische naam populatie I en populatie II), maar moderne astrofysici begonnen serieus te zoeken naar sterren die onmiddellijk na de oerknal hadden moeten bestaan.
Er waren geen zware elementen in deze sterren. Ze bestonden volledig uit waterstof en helium, afgewisseld met lithium. Populatie III-sterren waren absurd helder en enorm, groter dan veel moderne sterren. Hun werven synthetiseerden niet alleen gemeenschappelijke elementen, maar werden gevoed door vernietigingsreacties van donkere materie. Ze leefden ook heel weinig, slechts een paar miljoen jaar. Uiteindelijk is alle waterstof- en heliumbrandstof van deze sterren uitgebrand, ze gebruikten zware metalen elementen voor fusie en explodeerden, waardoor zware elementen door het universum werden verspreid. Niets overleefde in het jonge universum.
Maar als niets het heeft overleefd, waarom zouden we er dan over nadenken? Astronomen zijn erg geïnteresseerd in populatie III-sterren, omdat ze ons in staat zullen stellen beter te begrijpen wat er in de oerknal is gebeurd en hoe het jonge universum zich heeft ontwikkeld. En de lichtsnelheid zal astronomen hierbij helpen. Gezien de constante grootte van de lichtsnelheid, als astronomen een ongelooflijk verre ster kunnen vinden, zullen ze in wezen terug in de tijd kijken. Een groep astronomen van het Institute of Astrophysics and Space Sciences probeert de sterrenstelsels te zien die het verst van de aarde verwijderd zijn dan we hebben geprobeerd te zien. Het licht van deze sterrenstelsels zou na de oerknal enkele miljoenen hebben moeten verschijnen en zou licht kunnen bevatten van de sterren van Populatie III. Door deze sterren te bestuderen, kunnen astronomen terug in de tijd kijken. Bovendien zal het bestuderen van de sterren van Population III ons ook laten zien waar we vandaan kwamen. Deze sterren behoorden tot de eersten die het universum bezaaiden met elementen die leven schenken en nodig zijn voor het menselijk bestaan.
Quasi-ster
Niet te verwarren met een quasar (een object dat op een ster lijkt maar dat niet is), een quasi-ster is een theoretisch type ster dat alleen in een jong universum zou kunnen bestaan. Net als OTZ, waarover we hierboven spraken, moest de quasi-ster een kannibalenster zijn, maar in plaats van een andere ster in het midden te verbergen, verbergt hij een zwart gat. De quasi-sterren zouden gevormd moeten zijn uit massieve Populatie III-sterren. Wanneer gewone sterren instorten, gaan ze naar een supernova en laten ze een zwart gat achter. In quasi-sterren zou de dichte buitenste laag van nucleair materiaal alle energie hebben geabsorbeerd die ontsnapt uit de instortende kern, op zijn plaats blijven en niet tot supernova gaan. De buitenste schil van de ster zou intact blijven, terwijl de binnenste schil een zwart gat zou vormen.
Net als een moderne fusie-ster zou een quasi-ster een evenwicht bereiken, hoewel hij zou worden ondersteund door meer dan alleen fusie-energie. De energie die uit de kern, een zwart gat, wordt uitgestraald, zou druk uitoefenen om de ineenstorting door de zwaartekracht te weerstaan. De quasi-ster zou zich voeden met materie die in het binnenste zwarte gat valt en energie vrijgeven. Vanwege deze krachtige uitgezonden energie zou de quasi-ster ongelooflijk helder en 7000 keer massiever zijn dan de zon.
Uiteindelijk zou de quasi-ster na ongeveer een miljoen jaar zijn buitenste schil hebben verloren, waardoor alleen een enorm zwart gat overblijft. Astrofysici hebben gesuggereerd dat oude quasi-sterren de bron waren van superzware zwarte gaten in de centra van de meeste sterrenstelsels, inclusief de onze. De Melkweg is misschien begonnen met een van deze exotische en ongebruikelijke oude sterren.
Preon ster
Filosofen hebben eeuwenlang gediscussieerd over de kleinst mogelijke verdeling van materie. Door protonen, neutronen en elektronen te observeren, dachten wetenschappers dat ze de basisstructuur van het universum hadden gevonden. Maar naarmate de wetenschap vorderde, werden er steeds minder deeltjes gevonden en moest ons concept van het universum worden herzien. Hypothetisch zou de verdeling eeuwig kunnen duren, maar sommige theoretici beschouwen preons als de kleinste deeltjes van de natuur. Preon is een puntdeeltje dat geen ruimtelijke expansie heeft. Natuurkundigen beschrijven elektronen vaak als puntdeeltjes, maar dit is het traditionele model. Elektronen hebben eigenlijk een uitbreiding. In theorie heeft preon er geen. Het kunnen de meest basale subatomaire deeltjes zijn.
Hoewel preon-onderzoek momenteel uit de mode is, weerhoudt dat wetenschappers er niet van om te bespreken hoe preon-sterren eruit kunnen zien. De preon-sterren zouden extreem klein zijn, de grootte tussen een erwt en een voetbal. De massa die in dit kleine volume is verpakt, zou gelijk zijn aan de massa van de maan. Preonsterren zouden volgens astronomische maatstaven licht zijn, maar veel dichter dan neutronensterren, de dichtst waargenomen objecten.
Deze kleine sterren zouden erg moeilijk te zien zijn dankzij gravitatielenzen en gammastraling. Vanwege hun onopvallende karakter beschouwen sommige theoretici de voorgestelde preon-sterren als kandidaten voor donkere materie. En toch houden wetenschappers van deeltjesversnellers zich vooral bezig met het Higgs-deeltje, in plaats van te zoeken naar preons, dus hun bestaan zal wel of niet zeer binnenkort worden bevestigd.
Planck-ster
Een van de grootste vragen over zwarte gaten is: hoe zijn ze van binnenuit? Er zijn talloze boeken, films en artikelen over dit onderwerp gepubliceerd, variërend van fantastische speculatie tot de moeilijkste en meest exacte wetenschap. En er is nog geen consensus. Vaak wordt het centrum van een zwart gat beschreven als een singulariteit met oneindige dichtheid en zonder ruimtelijke dimensies, maar wat betekent dit eigenlijk? Moderne theoretici proberen deze vage beschrijving te omzeilen en erachter te komen wat er feitelijk in een zwart gat gebeurt. Van alle theorieën is een van de meest interessante de aanname dat er een ster in het midden van het zwarte gat staat, de Planck-ster.
De voorgestelde Planck-ster werd oorspronkelijk bedacht om de informatieparadox van het zwarte gat op te lossen. Als we een zwart gat als een singulariteitspunt beschouwen, heeft dat een onaangenaam neveneffect: informatie wordt vernietigd, dringt door tot in het zwarte gat en schendt de wetten van behoud. Als er echter een ster in het midden van het zwarte gat staat, lost deze het probleem op en helpt het ook bij vragen over de waarnemingshorizon van het zwarte gat.
Zoals je vast al geraden hebt, is de ster van Planck iets vreemds, dat echter wordt ondersteund door conventionele kernfusie. De naam komt van het feit dat zo'n ster een energiedichtheid zal hebben die dicht bij die van Planck ligt. Energiedichtheid is een maat voor de energie in een gebied in de ruimte, en de dichtheid van Planck is een enorm aantal: 5,15 x 10 ^ 96 kilogram per kubieke meter. Dit kost veel energie. Theoretisch zou zoveel energie in het heelal kunnen zijn direct na de oerknal. Helaas zullen we nooit een Planck-ster zien als deze zich in een zwart gat bevindt, maar deze aanname stelt ons in staat een aantal astronomische paradoxen op te lossen.
Pluizige bal
Natuurkundigen houden ervan om grappige namen te verzinnen voor complexe ideeën. Fluffy Ball is de schattigste naam die je kunt bedenken voor een dodelijk gebied in de ruimte waar je op slag dood kunt gaan. De fluffy ball-theorie komt voort uit een poging om een zwart gat te beschrijven met behulp van snaartheorie-ideeën. In wezen is de donzige bal geen echte ster in die zin dat het geen miasma is van vurig plasma dat wordt gevoed door fusie. Het is eerder een gebied van verstrengelde energiestrengen die worden ondersteund door hun eigen innerlijke energie.
Zoals hierboven vermeld, was het grootste probleem met zwarte gaten uitzoeken wat erin zat. Dit diepe probleem is zowel een experimenteel als een theoretisch raadsel. Theorieën van standaard zwarte gaten leiden tot een aantal tegenstrijdigheden. Stephen Hawking toonde aan dat zwarte gaten verdampen, wat betekent dat alle informatie erin voor altijd verloren gaat. Modellen met een zwart gat laten zien dat hun oppervlak een hoogenergetische "firewall" is die binnenkomende deeltjes verdampt. Het belangrijkste is dat theorieën over de kwantummechanica niet werken wanneer ze worden toegepast op de singulariteit van een zwart gat.
Een donzige bal lost deze problemen op. Om te begrijpen wat voor soort donzige bal is, stel je voor dat we in een tweedimensionale wereld leven, zoals op een stuk papier. Als iemand een cilinder op papier plaatst, zullen we die zien als een tweedimensionale cirkel, ook al bestaat dit object eigenlijk in drie dimensies. We kunnen ons voorstellen dat er in ons universum arrogante structuren bestaan; in de snaartheorie worden ze branen genoemd. Als er multidimensionale branen zouden bestaan, zouden we ze alleen waarnemen met onze 4D-zintuigen en wiskunde. Snaartheoretici hebben gesuggereerd dat wat we een zwart gat noemen, in feite onze laagdimensionale perceptie is van een multidimensionale snaarstructuur die onze vierdimensionale ruimtetijd doorkruist. Dan zal het zwarte gat geen singulariteit zijn; het zal alleen het snijpunt zijn van onze ruimte-tijd met multidimensionale snaren. Deze kruising is de donzige bal.
Dit alles lijkt esoterisch en roept veel vragen op. Als zwarte gaten echter eigenlijk donzige klitten zijn, zullen ze veel paradoxen oplossen. Ze zullen ook iets andere kenmerken hebben dan zwarte gaten. In plaats van een eendimensionale singulariteit heeft een donzige bal een bepaald volume. Maar ondanks een bepaald volume heeft het geen exacte waarnemingshorizon, de grenzen zijn "donzig". Het stelt natuurkundigen ook in staat om een zwart gat te beschrijven met behulp van de principes van de kwantummechanica. Hoe dan ook, een donzige bal is een grappige naam die onze strikte wetenschappelijke taal verdunt.
Gebaseerd op materialen van listverse.com
Ilya Khel