Blauwe reuzensterren zijn de rock-and-roll-sterren van het universum. Het zijn zware sterren die leven onder het motto 'Live fast, die young'. Hierdoor zijn ze zeldzaam en dus moeilijk te bestuderen, zelfs met moderne telescopen. Als eerstejaars doctoraatstudent kreeg ik de kans om bij te dragen aan een toch wel bijzondere ontdekking.
Al sinds het begin van de mensheid spreken de sterren aan de hemel tot onze verbeelding. Denk aan het kinderrijmpje: "'Twinkel, twinkel kleine ster, ik zie jou al van heel ver". Telescopen laten ons toe om diep in het universum te turen, maar toch blijft het voor astronomen moeilijk om diep in de sterren te 'kijken'. Nieuwe ruimtetelescopen laten astronomen toe om de golven die ontstaan in het diepe binnenste van de sterren waar te nemen. Dit maakt het mogelijk om deze sterren te bestuderen met behulp van asteroseismologie, een vergelijkbare techniek als die van seismologen die aardbevingen gebruiken om het binnenste van de aarde te bestuderen.
Asteroseismologie: muziek van de sterren!
Sir Arthur Eddington (1882-1944) heeft ooit gezegd dat het diepe binnenste van de Zon en andere sterren minder zichtbaar is dan de diepste gekrochten van ons heelal. We kunnen enkel de oppervlakte van sterren zien en onze klassieke fysische wetten toepassen om te ontsluieren wat er zich binnenin afspeelt. Zonder waarnemingen uit het hart van de sterren tastten we echter in het donker. Maar in de jaren ’70 kwamen astronomen te weten dat er geluidsgolven in onze Zon. Die zijn zichtbaar als minieme variaties in het licht die we van de zon ontvangen. Ondertussen weten we dat stertrillingen alomtegenwoordig zijn in de melkweg. Door te ‘luisteren’ naar het stellaire concert kunnen astronomen allerlei informatie krijgen over het interieur van de trillende sterren. Om dit te doen hebben we wel ruimtetelescopen met zeer precieze meetinstrumenten nodig. Met de komst van Kepler/K2 (2009-2018) en nu de TESS (2018 - ????) ruimtetelescopen worden astronomen op hun wenken bediend. Dit hebben we deels te danken aan onze collega’s, de planetenjagers, die hardnekkig op zoek zijn naar exoplaneten. Ook zij moeten lang naar bepaalde sterren kijken. Zij willen zien of er toevallig geen planeet voorbijschiet, wij willen weten of er golven over het oppervlak glijden. Beide doelen hebben dezelfde soort metingen nodig. Mede dankzij deze ruimtemissies is bekend dat vele sterren trillen en golven op hun oppervlak vertonen.
Dan maar de ruimte in…
Aan het Instituut voor Sterrenkunde van de KU Leuven is de asteroseismologische onderzoeksgroep onder leiding van Conny Aerts vooral geïnteresseerd in het bestuderen van het interieur van zware sterren, die minstens tien keer meer gasmassa hebben als onze zon. De lancering van een nieuwe ruimtemissie biedt spannende nieuwe mogelijkheden voor wetenschappelijk onderzoek als deze sterren worden waargenomen. Wachten op de volgende data-release van een ruimtetelescoop kan net zo spannend en zenuwslopend zijn als wachten op de nieuwste aflevering van Game of Thrones. Maar het resultaat is vaak fascinerend, en het wachten zeker waard.
Als beginnend doctoraatstudent kreeg ik de kans om te werken met de NASA-data van de Kepler en TESS-ruimtetelescopen. Wat de ruimtetelescopen doen is essentieel lange reeksen foto’s nemen van de sterren. Voordat we dergelijke data kunnen gebruiken voor onderzoek moet je ze als het ware ‘masseren’. Je hebt het zelf vast al eens voorgehad. Je gaat op vakantie, kijkt achteraf naar je foto’s, en merkt dat je geen geboren beroepsfotograaf bent. Maar met de technologie van tegenwoordig pas je ze gemakkelijk aan, en slaat ze op in een mooi album voor later. Bij data van de ruimtetelescopen is het eigenlijk niet veel anders. Zo is het goed mogelijk dat er een ster aan ‘photobomben’ doet, en je moet opletten dat je de juiste ster voor je hebt. Ook is de cameraman/vrouw niet altijd even stabiel en kunnen zich lichte verschuivingen voortdoen. Zorgvuldig al de data en de sterren nagaan is een immense taak, maar met mijn mede-collega’s aan de KU Leuven hebben we dit tot een goed einde gebracht voor honderden zware sterren. Met succes, want nu zien we wat de sterren echt aan het doen zijn.
Figuur 1. Deze momentopname van een computersimulatie toont het binnenste van een ster die drie keer zo zwaar is als onze zon. De golven worden gegenereerd door turbulente bewegingen in de kern en verspreiden zich door het midden van de ster. Beeld van Dr. Tamara Rogers (Newcastle University)
In ons recent Nature Astronomy-artikel presenteren we de ontdekking dat een groot deel van blauwe superreuzen trilt en daardoor bewegende golven op hun oppervlak hebben. Zoals eerder vermeld zijn blauwe reuzensterren de rock-and-roll-sterren van het universum. Voor we satellieten de ruimte instuurden, waren er slechts enkele blauwe superreuzen waargenomen. Maar nu, in de NASA-data hebben we er veel meer gezien.
Het verhaal achter onze ontdekking begint echter veel vroeger. Deze golven, ontsproten uit turbulente convectie in het hart van de sterren, waren al jarenlang voorspeld in numerieke simulaties uitgevoerd door Dr. Tamara Rogers en haar team aan de Universiteit van Newcastle in Engeland. Dr. Rogers en haar team specialiseren in het opbouwen van gedetailleerde simulaties van sterreninterieuren, die jaren vereisen in constructie en maanden in effectieve uitvoering, zelfs met de meest geavanceerde supercomputers in de Verenigde Staten of Europa. Een voorbeeld van een dergelijke simulatie kan je zien in Figuur 1. De kleurschakeringen geven de schommelingen van de golven weer.
Vele handen maken licht werk
Figuur 2. Schema van de sterrenevolutie. Merk het verschil op tussen de zware sterren (Massive star) en de zon-achtige sterren (Sun-like). Figuur van NASA/Night Sky Network
Sinds 2013, is er een hechte samenwerking ontstaan tussen de astronomen van het Instituut van Sterrenkunde in Leuven en die aan Newcastle University, aangezien onze vaardigheden elkaar aanvullen. Hier in Leuven interpreteren we de observaties van telescopen en spelen we deze informatie door aan de simulaties in Newcastle, die wij dan weer gebruiken om onze observaties beter te interpreteren en zo de theorie van stermodellen te verbeteren. We hebben verschillende gezamenlijke meerdaagse vergaderingen gehouden met de twee teams in de afgelopen jaren die de fundamenten van deze wetenschappelijke vondst hebben mogelijk gemaakt vastgelegd. Deze bijeenkomsten zijn niet enkel gericht op pure wetenschap, maar laten ook toe van elkanders gezelschap te genieten en de vele verschillende bieren te proeven die België te bieden heeft. Deze hechte “teamgeest” is erg bevorderlijk voor het onderzoek.
Voor onze ontdekking van golven op het oppervlak van de blauwe superreuzen waren we onzeker of de voorspelde golven van Dr. Tamara Rogers en haar team daadwerkelijk waarneembaar zouden zijn. Deze golven zijn informatiedragers van het sterreninterieur, maar indien ze onzichtbaar blijven met hoge-precisie ruimtetelescopen is de ster als een schatkist waarvan de sleutel voor altijd verloren is. Sterren komen in vele verschillende vormen, maten en kleuren. Dit is goed waarneembaar op Figuur 2. Sommige sterren zijn gelijkaardig aan onze Zon en leven bedaard voor miljarden jaren. Zwaardere sterren, die met tien keer of meer gas geboren worden als de Zon, leven aanzienlijk kortere maar actievere levens. Op het einde ontploffen ze en slingeren materie de ruimte in, in een zogenaamde supernovaexplosie. Blauwe superreuzen zijn op weg naar zulke explosie, zij zijn ze de metaalfabrieken van het universum, aangezien ze van de meeste chemische elementen zwaarder dan Helium in het periodiek systeem van Mendelejev produceren. Dit weten we op een globaal niveau van metalen in heelal, maar de specifieke details, die belangrijk zijn voor de vorming van nieuwe sterren en planeten, blijven in wezen onzichtbaar als we enkel naar de schatkist kunnen kijken, en niet naar wat er binnenin zit.
Deze golven geven ons de mogelijkheid om voor de eerste keer onder de ondoorzichtige oppervlakken van blauwe superreuzen te kijken. “De ontdekking van golven in zo vele blauwe superreuzen was een eureka moment,” aldus Dr. Dominic Bowman, postdoctoraal onderzoeker, hoofdauteur van het Nature Astronomy artikel, en mijn dagelijks begeleider. De flikkering in deze sterren was er altijd al, we hoefden alleen maar te wachten op moderne ruimtetelescopen om ze te kunnen observeren. De rock-and-roll-sterren traden de hele tijd al op, maar gooien pas sinds de laatste ruimtemissies van NASA de deuren van hun concertzaal open. De frequenties van de golven aan het oppervlak laten ons toe om de fysica en chemie in het binnenste lagen van de ster te bestuderen. Ze vertellen ons hoe efficiënt de geproduceerde metalen zich verspreiden binnenin het interieur van deze stellaire fabrieken. Vóór de NASA Kepler/K2 en TESS-ruimtetelescopen waren slechts enkele blauwe superreuzen gekend die een afwisselende helderheid vertoonden. We hadden de vele maar minieme golven veroorzaakt door de trillingen gewoonweg niet gezien. Dat is, tot nu dus!
Het kinderrijmpje 'Twinkel, twinkel kleine ster, ik zie jou al van heel ver' blijkt dus ook op te gaan voor grote sterren. Dankzij moderne ruimtemissies en hun immense hoeveelheid waarnemingen betreden we nu de gouden eeuw van asteroseismologie van hete, zware sterren. De ontdekking van golven in blauwe superreuzen stelt ons in staat om deze belangrijke voorlopers van supernovaexplosies vanuit een nieuw perspectief te bestuderen.
Onze resultaten tonen aan dat een sterke wetenschappelijke samenwerking tussen teams die werken in andere disciplines altijd uitermate voordelig is voor enig welke wetenschappelijk ontdekking. We kijken reikhalzend uit naar een voortzetting van de samenwerking tussen het Instituut van Sterrenkunde in Leuven en Newcastle University in Engeland, en de toekomstige ontdekkingen die zullen gemaakt worden door het koppelen van hoge-precisie gegevens die de ruimtetelescopen met de numerieke simulaties beschikbaar op dit moment, voor de metaalproducenten in ons universum.
