Een explosie van goud brengt de wetenschap in rep en roer

Een beeld van de Hubble Ruimtetelescoop toont het samensmelten van twee sterrenstelsels. Beeld EPA

Media buitelen over elkaar heen deze week: goud komt uit de ruimte! Maar hóe dan eigenlijk?

Hè, verdorie. "Het goud ligt voorlopig niet voor het grijpen", aldus de voice-over in een educatief filmpje van de NOS. De omroep besprak daarin de klap die twee neutronensterren een eind verderop in het heelal maakten, waar naar schatting tien keer de massa van de aarde aan goud vrijkwam. Spoot zo de ruimte in, maar niemand die er ook maar één ketting of trouwring van kan maken. Het hele gebeuren voltrok zich 130 miljoen lichtjaar verderop - vooral de wetenschap wordt hier rijker van.

De wetenschappers zijn dan ook lyrisch. De door Albert Einstein voorspelde zwaartekrachtgolven zijn voor het eerst niet door botsende zwarte gaten ontstaan, maar door die neutronensterren - de andere zwaargewichten (zie kader). Astronomen vermoedden al langer dat het zo geliefde goud weleens kon ontstaan door het gewelddadige samenkomen van de compacte hemellichamen, en dat lijkt nu bevestigd. Weken nadat ze de knal waarnamen zagen ze nog radioactieve sporen van het metaal door de ruimte bewegen.

Pr-machine

De pr-machine van de samenwerkende vakgroepen heeft het edelmetaalaspect mooi naar voren gehaald. Media reppen er deze dagen graag over: goud komt uit de ruimte! Maar is dat eigenlijk altijd het geval? Hadden alle alchemisten die eeuwen lang zo verwoed probeerden om lood in goud te veranderen dan totaal geen kans?

Het korte antwoord verbaast waarschijnlijk niet: ja, die alchemisten waren kansloos - nog even los van het feit dat zij lood als vertrekpunt gebruikten. Wat de middeleeuwse laboranten namelijk niet konden weten, is dat er heel veel energie nodig is om tot edelmetalen als goud te komen. De eindeloze kabinetsformatie was er niets bij. Of je nu het zware lood gebruikt, of juist begint bij lichte chemische elementen als waterstof en helium die in het begin der tijden aanwezig waren.

Eerst een stap terug in de geschiedenis van het heelal. Zo'n 13,7 miljard jaar geleden begon dat vanuit een oneindig dicht opeengepakt en heet punt uit te zetten. In de vorige eeuw werd daarvoor de term Oerknal gemunt, een geuzennaam uit de koker van een astronoom die het hele idee daarmee wilde ridiculiseren.

Mist

Over die eerste momenten weten astronomen nog niet veel. Wel dat het op een leeftijd van één seconde ongeveer 5,5 miljoen graden Celsius was, en dat er al een batterij aan fundamentele bouwsteentjes was, die los rondhingen. Zo'n 380.000 jaar na de Oerknal koelde het heelal zoveel af dat zich uit die losse bouwstenen neutrale atomen vormden, de deeltjes waar alles om ons heen van gemaakt is. Dit is ook het punt waarop het universum ineens doorzichtig werd: daarvoor kon licht simpelweg niet door die soep van loshangende ingrediënten bewegen.

Het waren alleen niet zomaar alle atomen die hier gevormd werden. Alleen de allerlichtste: waterstof en helium. Deze uitgewaaierde mist aan deeltjes begon nu langzaam samen te klonteren door hun eigen zwaartekracht. De eerste sterren staken zo de kop op.

Ze leven in cycli, een voorspelbare cirkel van leven en dood. Om niet in elkaar te klappen door hun eigen zwaartekracht en ter energievoorziening fuseren ze het waterstof en helium waar zoveel van voorhanden is, en passant stoffen producerend als koolstof. Totdat dat op is. De ster bezwijkt zodoende onder zijn eigen gewicht en implodeert. En niet als nachtkaars: dat imploderen geeft een enorme hitte af naar buiten. Genoeg om nóg weer zwaardere elementen te maken (zie kader). Die zweven op hun beurt weer doelloos rond, opnieuw in zo'n walm of mist, totdat ze weer langzaam naar elkaar toe schuifelen door de zwaartekracht en het feest opnieuw begint. Nu zit er in die nieuwe ster echter alweer zwaarder materiaal dan daarvoor, dat heter kan opbranden en zo tot nóg zwaardere elementen leidt.

Beeld EPA

Dat er voor goud echt de hitte van een neutronensterbotsing nodig is om te ontstaan, is pas een recent idee. Tot een aantal jaren terug dachten wetenschappers dat dit gebeurt in een supernova (een grote ster die implodeert en daardoor veel hitte vrijlaat). Maar nee, goud - en verwante materialen - heeft een omgeving nodig met veel neutronen en die lijken toch meer op voorraad in neutronensterren.

Neutronen hebben een positieve noch negatieve lading, en dienen als opvulsel in de kern van een goudatoom. Als er daar veel van voorradig zijn, krijgt het gouddeeltje in de dop geen kans te vervallen in lichtere deeltjes. Het samensmelten van neutronensterren was een mooie kandidaat, en met de enorme goudfonteinen die wetenschappers nu oppikken (in lijn met de laatste theoretische modellen), is het de jackpot in de astronomie.

Met al die sterrencycli borduurt het universum door de miljarden jaren heen dus door naar het eindresultaat in de plaatselijke juwelier: goud. Maar die laatste tocht is nog wel een ding. Want hoe komt het met veel kabaal geproduceerde goud op aarde?

Meteorietregen

Door die botsende neutronensterren is er dus goud en ander zwaar metaal aanwezig in het universum, en logisch gezien bevatten nieuwe sterrenstelsels, die uit bij elkaar geraapt materiaal ontstaan, dat nu ook. Zo ook de aarde. Zoveel zelfs, dat je de planeet naar schatting zou kunnen aankleden met een gouden deken van 4 meter dik.

Dat is echter nog steeds niet het goud waarvan de trouwring gemaakt wordt. Dit goud, dat al bij het ontstaan van de aarde betrokken was, ligt namelijk bijna allemaal in de vloeibare en ontoegankelijke kern. Voordat de planeet kon uitharden aan de buitenkant - en hij dus nog vloeibaar was - zakte het goud samen met het zware ijzer naar beneden. De buitenste korst verhardde, maakte het onmogelijk om goud te delven. Dus waarom zien we er dan toch aardig wat van ons heen, relatief gezien?

In 2011 lieten Engelse geologen in Nature zien dat de buitenste goudvoorraad waarschijnlijk is aangevuld door een meteorietregen die de aarde ongeveer 200 miljoen jaar teisterde. Volgens de eerste auteur van dat artikel kwam er in die tijd 20 miljard miljard ton materiaal neer. Daartussen zit het goud dat de mensheid nu gebruikt om haar welvaart te etaleren. Van de oerknal, via neutronensterren en meteorietenregens naar de ring om een vinger.

Kernfusie, hoe zat dat ook alweer?

De lange weg die elementaire deeltjes als protonen afleggen om tot goud te komen, heet kernfusie. Dat gaat aanvankelijk van het lichte waterstof naar helium, maar waarom voor het gemak niet ook gelijk zwaardere elementen als ijzer, goud en platina?

In feite is dat omdat de kernbestandsdelen van atomen elkaar helemaal niet mogen. De positief geladen protonen moeten een enorme drempel over om tegen elkaar aan te kruipen - positief geladen deeltjes stoten elkaar immers af. Maar komen ze dan, door ze te voeden met veel energie, tóch dicht bij elkaar, dan gaat een andere, veel sterkere kracht meedingen: de sterke kernkracht. Op zeer kleine afstanden willen protonen (en neutrale neutronen) dus wél graag naast elkaar liggen in een bolletje. Dit houdt op bij ijzer.

Wie nog meer protonen of neutronen toe wil voegen, moet er meer energie instoppen dan dat hij ervoor terugkrijgt. Goud is zo'n materiaal, en heeft liefst 79 van die protonen in zijn atoomkern. Ter vergelijking, de zon produceert 'slechts' genoeg warmte voor een proces dat vier protonen samen tot één heliumatoom smeedt, en een heel klein beetje van het iets zwaardere koolstof. Dan zijn twee immens zware neutronensterren, bonkend van energie, wel zo prettig

Sterren met een enorme dichtheid

Het grote astronomienieuws van deze week draait om twee botsende neutronensterren. Die ontstaan als volgt. Is de brandstof van een grote ster op, dan bezwijkt hij onder het eigen gewicht. De druk is hoog binnenin. Elektronen, die volgens het iconische beeld mooi om de atoomkern heen cirkelen als waren het planeten om de zon, worden door die hoge druk ín de kern gedrukt.

Daar smelten die negatief geladen elektronen samen met de positief geladen protonen in de kern, wat per saldo leidt tot de neutrale neutronen leidt. Blijft dus over een enorme bal van neutronen, waarvan de bouwstenen niet dat gebruikelijke luchtledige hebben tussen de cirkelende elektronen en de kern. Een extreem dicht opeen gepakt geheel dus. Ze herbergen een massa van pakweg anderhalf keer die van de zon in een bol zo klein als Amsterdam, zo wil de veelgemaakte vergelijking. Per theelepel neutronster praat je dan over een miljard ton aan gewicht.

Dat maakt de zwaartekracht twee miljard keer zo sterk als die op aarde. Je moet met 40 procent van de lichtsnelheid reizen om die immense aantrekkingskracht de baas te zijn.

Lees ookKosmische botsing luidt nieuw tijdperk van astronomie in 

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden