De kleinste bekende hoofdreeksster in het Melkwegstelsel is een echt pixie.
Hij heet EBLM J0555-57Ab, een rode dwerg op 600 lichtjaar afstand. Met een gemiddelde straal van zo’n 59.000 kilometer is hij net iets groter dan Saturnus. Daarmee is het de kleinste bekende ster die waterstoffusie in zijn kern ondersteunt, het proces dat sterren brandend houdt totdat hun brandstof op is.
In ons zonnestelsel zijn er twee objecten groter dan deze tienerster. De ene is de zon, natuurlijk. De andere is Jupiter, als een reusachtig bolletje ijs, met een gemiddelde straal van 69.911 kilometer.
Dus waarom is Jupiter een planeet en geen ster?
Het korte antwoord is simpel: Jupiter heeft niet genoeg massa om waterstof in helium te laten fuseren. EBLM J0555-57Ab is ongeveer 85 maal de massa van Jupiter, ongeveer zo licht als een ster kan zijn – als hij nog kleiner was, zou hij ook geen waterstof kunnen fuseren. Maar als ons zonnestelsel anders was geweest, had Jupiter dan tot een ster kunnen ontbranden?
Jupiter en de zon lijken meer op elkaar dan je weet
De gasreus is dan wel geen ster, maar Jupiter is nog steeds een Big Deal. Zijn massa is 2,5 keer die van alle andere planeten samen. Maar omdat het een gasreus is, heeft hij een zeer lage dichtheid: ongeveer 1,33 gram per kubieke centimeter; de dichtheid van de aarde is met 5,51 gram per kubieke centimeter iets meer dan vier keer zo hoog als die van Jupiter.
Maar het is interessant om de overeenkomsten tussen Jupiter en de zon op te merken. De dichtheid van de zon is 1,41 gram per kubieke centimeter. En de twee objecten lijken qua samenstelling sterk op elkaar. Qua massa bestaat de zon voor 71 procent uit waterstof en 27 procent uit helium, terwijl de rest uit sporen van andere elementen bestaat. Jupiter bestaat voor ongeveer 73 procent uit waterstof en 24 procent uit helium.
Om deze reden wordt Jupiter soms een mislukte ster genoemd.
Maar het is nog steeds onwaarschijnlijk dat, overgelaten aan het eigen lot van het zonnestelsel, Jupiter zelfs maar in de buurt van een ster zou komen.
Toen de massa – en dus de zwaartekracht – groeit, wordt de kern van de babyster steeds strakker samengeperst, waardoor hij heter en heter wordt. Uiteindelijk wordt hij zo samengeperst en heet, dat de kern ontbrandt en de thermonucleaire fusie begint.
Volgens ons begrip van stervorming blijft er, als de ster klaar is met het accreteren van materiaal, een hele hoop accretieschijf over. Daar zijn de planeten van gemaakt.
Astronomen denken dat dit proces (dat kiezelaccretie wordt genoemd) bij gasreuzen als Jupiter begint met kleine brokjes ijzige steen en stof in de schijf. Terwijl ze rond de babyster draaien, beginnen deze brokjes materiaal tegen elkaar te botsen, waarbij ze door statische elektriciteit aan elkaar blijven plakken. Uiteindelijk worden deze groeiende klonters zo groot – ongeveer 10 aardmassa’s – dat ze gravitationeel steeds meer gas uit de omringende schijf kunnen aantrekken.
Vanaf dat punt groeide Jupiter geleidelijk aan tot zijn huidige massa – ongeveer 318 maal de massa van de aarde, en 0,001 maal de massa van de zon. Toen hij al het materiaal had opgeslokt dat voor hem beschikbaar was – ver verwijderd van de massa die nodig is voor waterstoffusie – stopte hij met groeien.
Jupiter was dus nooit dicht genoeg bij de groei van zijn massa om een ster te worden. Jupiter heeft een vergelijkbare samenstelling als de zon, niet omdat hij een ‘mislukte ster’ was, maar omdat hij is ontstaan uit dezelfde wolk moleculair gas waaruit de zon is ontstaan.
De echte mislukte sterren
Er is een andere klasse van objecten die als ‘mislukte sterren’ kunnen worden beschouwd. Dit zijn de bruine dwergen, en zij vullen het gat tussen gasreuzen en sterren.
Beginnend bij meer dan 13 keer de massa van Jupiter, zijn deze objecten massief genoeg om kernfusie te ondersteunen – niet van normale waterstof, maar deuterium. Dit wordt ook wel “zware” waterstof genoemd; het is een isotoop van waterstof met een proton en een neutron in de kern in plaats van slechts een enkel proton. Zijn fusietemperatuur en -druk zijn lager dan de fusietemperatuur en -druk van waterstof.
Omdat het bij een lagere massa, temperatuur en druk plaatsvindt, is deuteriumfusie een tussenstap op weg naar waterstoffusie voor sterren, terwijl zij massa blijven toevoegen. Maar sommige objecten bereiken die massa nooit; deze staan bekend als bruine dwergen.
Nadat hun bestaan in 1995 werd bevestigd, was het een tijdlang onbekend of bruine dwergen ondermaatse sterren waren of overambitieuze planeten; maar verschillende studies hebben aangetoond dat ze net als sterren worden gevormd, door het ineenstorten van wolken in plaats van kernaccretie. En sommige bruine dwergen zijn zelfs onder de massa voor deuteriumverbranding, niet te onderscheiden van planeten.
Jupiter ligt precies op de ondergrens van de massa voor wolkeninstorting; de kleinste massa van een wolkeninstortingsobject is geschat op ongeveer één Jupitermassa. Dus als Jupiter was gevormd door wolkinstorting, zou het kunnen worden beschouwd als een mislukte ster.
Maar gegevens van NASA’s Juno sonde suggereren dat, althans ooit, Jupiter een vaste kern had – en dat is meer in overeenstemming met de kernaccretie-vormingsmethode.
Modellen suggereren dat de bovengrens voor een planeetmassa, gevormd via kernaccretie, minder dan 10 keer de massa van Jupiter is – slechts een paar Jupitermassa’s verwijderd van deuteriumfusie.
Dus, Jupiter is geen mislukte ster. Maar door na te denken over waarom hij dat niet is, kunnen we beter begrijpen hoe de kosmos werkt. Bovendien is Jupiter een gestreept, stormachtig, zwierig butterscotch wonder op zichzelf. En zonder Jupiter hadden wij mensen misschien niet eens kunnen bestaan.
Dat is echter een ander verhaal, dat een andere keer verteld zal worden.