Hoofdreekssterren: Definitie en levenscyclus

Hoofdreekssterren fuseren waterstofatomen tot heliumatomen in hun kern. Ongeveer 90 procent van de sterren in het heelal, waaronder de zon, zijn hoofdreekssterren. Deze sterren kunnen variëren van ongeveer een tiende van de massa van de zon tot wel 200 keer zo zwaar.

Sterren beginnen hun leven als wolken van stof en gas. De zwaartekracht trekt deze wolken samen. Een kleine protoster vormt zich, aangedreven door het instortende materiaal. Protosterren vormen zich vaak in dicht opeengepakte gaswolken en kunnen moeilijk te detecteren zijn.

“De natuur vormt geen geïsoleerde sterren,” zei Mark Morris van de Universiteit van Californië in Los Angeles (UCLS) in een verklaring. “Hij vormt ze in clusters, uit geboortewolken die onder hun eigen zwaartekracht ineenstorten.”

Kleinere lichamen – met minder dan 0,08 van de massa van de zon – kunnen het stadium van kernfusie in hun kern niet bereiken. In plaats daarvan worden ze bruine dwergen, sterren die nooit ontbranden. Maar als het hemellichaam voldoende massa heeft, wordt het ineenstortende gas en stof heter en bereikt het uiteindelijk temperaturen die voldoende zijn om waterstof tot helium te laten samensmelten. De ster gaat aan en wordt een hoofdreeksster, aangedreven door waterstoffusie. De fusie produceert een uitwaartse druk die in evenwicht is met de inwaartse druk die door de zwaartekracht wordt veroorzaakt, en stabiliseert de ster.

Hoe lang een hoofdreeksster leeft, hangt af van hoe massief hij is. Een ster met een grotere massa heeft weliswaar meer materiaal, maar verbrandt dat sneller door de hogere kerntemperatuur die door de grotere zwaartekracht wordt veroorzaakt. Terwijl de zon ongeveer 10 miljard jaar in de hoofdreeks zal doorbrengen, zal een ster die tien keer zo zwaar is, slechts 20 miljoen jaar in de hoofdreeks blijven. Een rode dwerg, die half zo zwaar is als de zon, kan 80 tot 100 miljard jaar meegaan, wat veel langer is dan de leeftijd van het heelal van 13,8 miljard jaar. (Deze lange levensduur is een van de redenen waarom rode dwergen worden beschouwd als goede bronnen voor planeten met leven, omdat ze zo lang stabiel zijn).

Glanzende ster

Meer dan 2000 jaar geleden, was de Griekse astronoom Hipparchus de eerste die een catalogus van sterren maakte op basis van hun helderheid, volgens Dave Rothstein, die in 2003 meedeed aan de “Ask An Astronomer”-website van de Cornell University.

“In principe keek hij naar de sterren aan de hemel en classificeerde ze aan de hand van hoe helder ze waren – de helderste sterren waren ‘magnitude 1’, de volgende ‘magnitude 2’, enz, tot en met ‘magnitude 6’, de zwakste sterren die hij kon zien,” schreef Rothstein.

Moderne instrumenten hebben de metingen van de helderheid verbeterd, waardoor ze nauwkeuriger zijn geworden.

In het begin van de 20e eeuw realiseerden astronomen zich dat de massa van een ster samenhangt met zijn lichtkracht, oftewel hoeveel licht hij produceert. Beide zijn gerelateerd aan de temperatuur van de ster. Sterren die tien keer zo zwaar zijn als de zon schijnen meer dan duizend keer zo veel.

De massa en de lichtkracht van een ster houden ook verband met de kleur. Massievere sterren zijn heter en blauwer, terwijl minder massieve sterren koeler zijn en een rossig uiterlijk hebben. De zon valt tussen dit spectrum in, waardoor hij er geler uitziet.

“De oppervlaktetemperatuur van een ster bepaalt de kleur van het licht dat hij uitzendt,” aldus het wereldwijde Las Cumbres Observatory. “Blauwe sterren zijn heter dan gele sterren, die heter zijn dan rode sterren.”

Dit inzicht leidde tot het ontstaan van een diagram dat bekend staat als het Hertzsprung-Russell-diagram (H-R), een grafiek van sterren op basis van hun helderheid en kleur (die op zijn beurt hun temperatuur weergeeft). De meeste sterren liggen op een lijn die bekend staat als de “hoofdreeks”, die loopt van linksboven (waar hete sterren helderder zijn) naar rechtsonder (waar koele sterren meestal zwakker zijn).

Wanneer de sterren uitdoven

Eindelijk verbrandt een hoofdreeksster door de waterstof in haar kern en bereikt daarmee het einde van haar levenscyclus. Op dat moment verlaat hij de hoofdreeks.

Steren die minder dan een kwart van de massa van de zon hebben, storten direct in tot witte dwergen. Witte dwergen verbranden geen fusie meer in hun kern, maar stralen nog wel hitte uit. Uiteindelijk zouden witte dwergen moeten afkoelen tot zwarte dwergen, maar zwarte dwergen zijn slechts theoretisch; het heelal is niet oud genoeg voor de eerste witte dwergen om voldoende af te koelen en de overgang te maken.

Bij grotere sterren storten hun buitenlagen naar binnen totdat de temperatuur heet genoeg is om helium tot koolstof te smelten. Dan zorgt de druk van de fusie voor een stuwkracht naar buiten, waardoor de ster vele malen groter wordt dan zijn oorspronkelijke grootte en een rode reus vormt. De nieuwe ster is veel zwakker dan toen hij nog een hoofdreeksster was. Uiteindelijk zal de zon een rode reus worden, maar maak je geen zorgen – dat zal voorlopig nog niet gebeuren.

“Ongeveer vijf miljard jaar vanaf nu, nadat de zon een rode reus is geworden en de aarde tot een sintel heeft verbrand, zal zij haar eigen prachtige nevel uitstoten en dan verdwijnen als een witte dwergster,” zei Howard Bond, van het Space Telescope Science Institute in Maryland, in een verklaring.

Als de oorspronkelijke ster tot 10 keer de massa van de zon heeft, brandt hij binnen 100 miljoen jaar door zijn materiaal heen en stort hij in tot een superdichte witte dwerg. Massievere sterren exploderen in een gewelddadige supernova-dood, waarbij de zwaardere elementen die in hun kern zijn gevormd, door het melkwegstelsel worden gespuwd. De overgebleven kern kan een neutronenster vormen, een compact object dat verschillende vormen kan aannemen.

Door de lange levensduur van rode dwergen bestaan zelfs die welke kort na de oerknal zijn gevormd, nog steeds. Maar uiteindelijk zullen deze lage-massa lichamen door hun waterstof heen branden. Ze zullen zwakker en koeler worden, en uiteindelijk zullen de lichten doven.

Volg Nola Taylor Redd op @NolaTRedd, Facebook, of Google+. Volg ons op @Spacedotcom, Facebook of Google+.