Zware sterren zijn bijzonder zeldzaam in het heelal, maar ze hebben een enorme invloed op de evolutie van het heelal. Nederlands astrofysicus Floor Broekgaarden tracht ze te bestuderen. ‘De fossiele overblijfselen van deze sterren zien we overal om ons heen.’
Op je 28ste een aanbieding krijgen als assistant professor aan de gerenommeerde Amerikaanse Johns Hopkins-universiteit. Het overkwam de Nederlandse astrofysicus Floor Broekgaarden afgelopen voorjaar, kort nadat ze haar proefschrift verdedigde aan de Harvard-universiteit in Cambridge.
‘Het is supercool,’ zegt ze, ‘maar ook best bizar, een vaste aanstelling zo kort na je promotie. Maar ik begin pas echt in 2025. Eerst ga ik nog als postdoc aan de slag op de Columbia-universiteit. Deze zomer verhuis ik naar New York, samen met mijn vriend, die trouwens ook sterrenkundige is. In de komende twee jaar kan ik alles goed voorbereiden en mijn toekomstige onderzoeksgroep vast opstarten.’
Broekgaarden, die in juni een paar weken in Nederland was, omschrijft zichzelf als zwaartekrachtgolfpaleontoloog. Dat klinkt ingewikkelder dan het is. Ze bestudeert zwaartekrachtgolven – minieme rimpelingen in de ruimtetijd, veroorzaakt door botsende zwarte gaten – en beschouwt die als een soort kosmische fossielen om meer te weten te komen over de levensloop van de allerzwaarste sterren in het heelal, en in feite van het universum als geheel. ‘Zware sterren zijn de dinosaurussen van de kosmos’, zegt ze. ‘Hun fossiele overblijfselen zien we overal om ons heen.’
Op de middelbare school had Floor al veel belangstelling voor zowel wiskunde als natuur- en sterrenkunde, en in 2013 begon ze aan een dubbele studie aan de Universiteit van Amsterdam. ‘Ik vond hoge-energiefysica heel leuk, en ik wilde eerst snaartheoreticus worden, net als de Amsterdamse natuurkundige Erik Verlinde. Maar dat was allemaal wel érg wiskundig. En toen werd de ontdekking van zwaartekrachtgolven wereldkundig gemaakt, in februari 2016 – enorm gaaf. Dat is het mooie van sterrenkunde: het onderzoek komt in een stroomversnelling als er nieuwe instrumenten en waarnemingen beschikbaar komen. Bovendien zijn sterrenkundigen heel goed in samenwerken.’ Kortom: Floor koos voor de astronomie.
‘Zware sterren zijn de dinosaurussen van de kosmos. Hun fossiele overblijfselen zien we overal om ons heen’
Tijdens een internationale summer school in Kopenhagen, in 2017, gebeurde iets soortgelijks. ‘Er waren daar veel wetenschappers die onderzoek deden aan zwaartekrachtgolven. Op een dag zaten die opeens allemaal achter hun laptops en heerste er een opgewonden sfeer. Later bleek dat er een botsing gedetecteerd was van twee neutronensterren, die ook met telescopen en satellieten was gezien.’ Heel interessant, want de Deense summer school stond in het teken van de zogeheten populatiesynthese: hoe vaak verwacht je botsingen van twee zwarte gaten; hoe vaak van twee neutronensterren, en hoe vaak van een neutronenster met een zwart gat?
Broekgaarden rondde haar masteropleiding in Amsterdam af in slechts een jaar – ongebruikelijk snel. En toen twee buitenlandse hoogleraren (Ilya Mandel en Enrico Ramirez-Ruiz) suggereerden dat ze heel goed zou kunnen solliciteren naar een promotieplaats in de Verenigde Staten, besloot ze de proef op de som te nemen. ‘Na drie sollicitaties werd ik toegelaten tot het Center for Astrophysics aan de Harvard-universiteit’, vertelt ze. ‘Best bijzonder, want ze hadden daar acht plekken, maar zo’n vijf- tot zeshonderd gegadigden.’ In 2019 vertrok ze naar Cambridge, na een tussenjaar waarin ze door Chili en Australië reisde.
Kosmische paleontologie
Broekgaardens promotieonderzoek, begeleid door Harvard-astronoom Edo Berger, richtte zich op het nieuwe astronomische deelgebied van de zwaartekrachtgolfpaleontologie – een naam die rond die tijd langzaam maar zeker in zwang kwam. Het uiteindelijke doel is om meer te weten te komen over de eigenschappen en de levensloop van de allerzwaarste sterren in het heelal, tot wel tweehonderd keer de massa van de zon.
‘Die zijn zeldzaam,’ zegt ze, ‘maar ze hebben wel een enorm grote invloed op de evolutie van het heelal.’ Zo zijn vrijwel alle zware elementen in de kosmos te danken aan kernfusiereacties in die zware reuzensterren en aan de energierijke supernova-explosies waarmee ze hun korte leven beëindigen – niet alleen alle zuurstofatomen, maar ook de meeste zware metalen. In de meest letterlijke zin hebben wij ons bestaan te danken aan eerdere generaties van zware sterren.
‘Massieve sterren zijn zeldzaam, maar ze hebben wel een enorm grote invloed op de evolutie van het heelal’
‘Het probleem is alleen dat ze zo moeilijk te bestuderen zijn’, zegt Broekgaarden. ‘Slechts een op de duizend sterren behoort tot die categorie, en ze leven ook nog eens duizend keer zo kort als zonachtige sterren. Dus van de sterren die we nu om ons heen zien, is slechts een op de miljoen echt zo’n zwaar exemplaar.’ Het valt daardoor niet mee om statistiek te bedrijven; laat staan om te achterhalen hoe die zware populatie er miljarden jaren geleden uitzag. Terwijl dat juist veel informatie op zou leveren over de evolutie van het heelal en het ontstaan van de allereerste sterren.
Maar net als met dinosaurussen kunnen astronomen wel onderzoek doen aan de fossiele resten van die zware sterren: onzichtbare zwarte gaten en supercompacte neutronensterren. Die bevinden zich meestal in dubbelstersystemen: ze draaien om elkaar heen en spiraliseren langzaam naar elkaar toe. En met gevoelige zwaartekrachtgolfdetectoren zoals LIGO in de Verenigde Staten en Virgo in Italië zijn de uiteindelijke botsingen van die ‘stoffelijke overschotten’ te bestuderen. ‘De sterren zelf zijn zeldzaam,’ zegt Broekgaarden, ‘maar het totaal aantal botsingen ligt waarschijnlijk rond de een miljoen per jaar. En met een miljoen fossielen ben je als paleontoloog heel blij, dus kom maar op met die data!’
Nu kun je uit metingen aan zwaartekrachtgolven niet direct de geschiedenis van de kosmos afleiden, maar andersom lukt het wel – althans, tot op zekere hoogte. Theoreticus Broekgaarden en haar collega’s gaan uit van verschillende beginsituaties – modellen met verschillende populaties en evolutiescenario’s voor zware sterren – en rekenen uit hoeveel botsingen van zwarte gaten of neutronensterren met verschillende massa’s je dan zou verwachten.
Door die rekenresultaten te vergelijken met de waarnemingen, hopen ze in de toekomst bepaalde modellen uit te kunnen sluiten. Het mooie daarbij is dat je de hele kosmische geschiedenis kunt bestuderen, want botsingen die sterrenkundigen nu waarnemen in heel verre sterrenstelsels vonden in werkelijkheid miljarden jaren geleden plaats.
Succesverhaal
Broekgaardens proefschrift, dat (zoals gebruikelijk in de astronomie) uit een reeks gepubliceerde artikelen bestaat, kreeg eerder dit jaar de prijs voor het beste Center for Astrophysics-proefschrift van 2023. ‘Eind april was de officiële verdediging,’ zegt ze, ‘een maand later de feestelijke ceremonie, in toga en met alle toeters en bellen.’ Vervolgens werd ze ook nog geselecteerd voor het Harvard Horizons-programma – een workshop voor een klein aantal promovendi waarin je ervaring opdoet met het vertalen van je onderzoek naar een groter publiek. De TED Talk-achtige presentatie die daaruit voortvloeide, is te vinden op YouTube.
‘Outreach heb ik altijd belangrijk gevonden’, vertelt Broekgaarden. ‘In Nederland gaf ik al praatjes op scholen en hielp ik mee op de sterrenkijkavonden van de universiteit. In de Verenigde Staten is er misschien wel meer aandacht voor de effectiviteit van dat soort activiteiten dan in Nederland. Je hebt er ook echt andere skills voor nodig – een techniek als storytelling leer je niet als wetenschapper.’
Daarnaast steekt ze veel energie in het stimuleren en coachen van jonge astronomen die helemaal aan het begin van hun carrière staan, onder andere via een online community en een Facebook-groep met inmiddels al zo’n vierduizend leden. ‘Zelf zou ik zoiets ook heel fijn hebben gevonden.’
Botsingen die sterrenkundigen nu waarnemen in heel verre sterrenstelsels vonden in werkelijkheid miljarden jaren geleden plaats
Terwijl het voor verse sterrenkundepromovendi de normaalste zaak van de wereld is om van de ene tijdelijke postdocpositie naar de andere te switchen, koos Broekgaarden er in het najaar van 2022 voor om ook te solliciteren op een aantal posities als universitair docent (assistant professor in de Verenigde Staten). ‘Ik dacht: kijken hoe ver ik kom’, zegt ze.
‘Begin dit jaar had ik al een aanbod op zak voor een postdocbaan aan de Columbia-universiteit, mede betaald door de Simons Foundation, toen ik drie uitnodigingen kreeg om langs te komen voor een sollicitatiegesprek voor een hoogleraarsbaan. Best eng; je concurreert dan niet alleen met andere ervaren postdocs, maar ook met andere professoren.’ Het werd een intensieve periode, met meerdaagse bezoeken aan de Universiteit van Washington in Seattle, de Universiteit van Californië in Santa Cruz, en de Johns Hopkins-universiteit in Baltimore. ‘Je moet dan proeflessen geven, er zijn interviews met verschillende commissies, studentenlunches en faculteitsdiners, en diepgravende een-op-een-gesprekken.’
Uiteindelijk kreeg Broekgaarden een vaste aanstelling aangeboden als universitair docent en leider van een nieuw op te richten onderzoeksgroep in Baltimore. ‘Maar zoiets kost veel voorbereidingstijd,’ vertelt ze, ‘dus vanwege het aanbod van Columbia heb ik gevraagd of ik over twee jaar echt kan beginnen. Gedurende die periode ben ik visiting professor aan Johns Hopkins. New York en Baltimore liggen gelukkig niet zo ver uit elkaar.’ Op 18 juli poseerde ze op Twitter (@FloorAstro) apetrots met een T-shirt van haar toekomstige werkgever, en kondigde ze meteen ook maar aan dat ze voor 2025 op zoek is naar studenten en postdocs.
Als zwaartekrachtgolfpaleontoloog kan Floor Broekgaarden zich bijna geen mooiere periode voorstellen. ‘Het was sowieso al heel bijzonder dat problemen waar je tijdens je promotieonderzoek aan werkt, in diezelfde periode ook gewoon in het nieuws zijn’, zegt ze, doelend op kranten- en tijdschriftartikelen over de eerste detecties van zwaartekrachtgolven.
Nu de LIGO-detector aan zijn vierde observing run is begonnen (Virgo volgt hopelijk dit najaar) worden er steeds meer botsingen van zwarte gaten en neutronensterren waargenomen, zodat ook daar steeds meer statistiek over beschikbaar komt. Bovendien wordt er gewerkt aan een nieuwe, gevoeligere generatie detectoren, zoals de Europese Einstein Telescope en de Amerikaanse Cosmic Explorer. ‘Heel veelbelovend allemaal. Ik kijk er erg naar uit.’
