astronomie

Steve Bowers van Orion's Arm construeerde dit model van een Dysonschil in aanbouw.

Speurtocht naar Tweede Trap van Kardashev begonnen

De Keplermissie heeft reeds vele nog onontdekte exoplaneten opgespoord, maar je kan met de gegevens ook iets anders:  buitenaardse beschavingen opsporen. Astronoom Geoff Marcy kreeg een donatie uit een wel heel onverwachte bron om zijn non-mainstream onderzoek mogelijk te maken. Staan we op de drempel van het grootste nieuws denkbaar?

Steve Bowers van Orion's Arm construeerde dit model van een Dysonschil in aanbouw.
Steve Bowers van Orion’s Arm construeerde dit model van een Dysonschil in aanbouw.

Aliens zoeken
Zijn we alleen in het heelal? De enorme grootte van het heelal en de ontelbare hoeveelheid bewoonbare exoplaneten in het heelal maken dit onwaarschijnlijk. Het is echter vrijwel ondoenlijk om een buitenaardse beschaving die ongeveer even ver is gevorderd als de aardse, op te sporen. Voorbij enkele tientallen lichtjaren veranderen ook de radiosignalen van de aardse zendmasten in onbegrijpelijke signalen en als de afstanden toenemen, honderden tot duizenden lichtjaar, wordt zelfs dat ondoenlijk. De zaak verandert echter voor beschavingen die ons enkele honderden jaren of verder voor zijn. Althans, dat vermoeden onderzoekers, die met wetenschappelijke uitgangspunten naar buitenaardse beschavingen zoeken.

De vijf trappen van Kardashev
Als we de historie van onze eigen enigszins intelligente, maar weinig wijze soort raadplegen, valt op dat een toenemende ontwikkeling een toenemend energieverbruik oplevert. De Russische astrofysicus Kardashev gebruikte dit als uitgangspunt voor zijn model. Volgens zijn model (zie “De vijf trappen van Kardashev”) zijn er vier (of vijf) trappen, alle gerangschikt naar energieverbruik. Een Kardashev-I beschaving oogst alle energie die beschikbaar is op een planeet, Kardashev-II alle energie in een zonnestelsel, Kardashev-III oogst de energie in een compleet sterrenstelsel en Kardashev-IV alle energie in het waarneembare heelal. Sommige denkers veronderstellen dat er ook Kardashev-V beschavingen kunnen bestaan, beschavingen die ook de energiebronnen uit andere heelallen kunnen aftappen en hiermee kunnen overleven als hun oorspronkelijke universum ten onder gaat. Onze beschaving vangt maar een fractie op van alle beschikbare energie op aarde en is dus nog niet eens een Kardashev-I beschaving.

Dofgloeiende schil
Dergelijke beschavingen laten uiteraard de nodige sporen achter. Zo vinden we op aarde af en toe overblijfselen van verdwenen culturen. Hoe groter in omvang en hoe verder ontwikkeld deze beschaving was, des te omvangrijker zullen deze sporen zijn. Van een Kardashev-II beschaving, een beschaving die de energiebronnen van een compleet planetenstelsel af kan tappen, zullen de tekenen zelfs met een gevoelige telescoop waarneembaar zijn. Om alle energie van een ster te oogsten, moet je deze omgeven met zonnepanelen. Nadat de vrije energie gebruikt is, wordt de afvalwarmte uitgestraald. Een ster omringd door een Dysonschil van deze zonnepanelen is dus waarneembaar als een in het infrarood opgloeiende stofwolk of nevel.  Exoplanetenjager Geoff Marcy (zie dit vorige artikel) heeft nu een onderzoeksbeurs ontvangen van de Britse christelijke Templeton Foundation om Dysonschillen te vinden, aldus  Paul Gilster op Centauri Dreams, het nieuwsforum van de Tau Zero Foundation (een stichting die de mogelijkheden voor reizen naar andere sterren onderzoekt).

Als een ster omringd wordt door een Dysonschil zal dat gevolgen hebben voor het sterrenspectrum en de lichtsterkte. Er zal het nodige licht weggevangen worden, zodat de ster zwakker zal lijken te schijnen dan een ster van deze klasse. Marcy wil nu duizend door Kepler opgespoorde planetenstelsels onderzoeken op sporen van Dysonschillen. Ook wil hij laserbundels proberen op te sporen, omdat volgens hem lasers de meest effectieve methode zijn om boodschappen van het ene sterrenstelsel naar het andere te versturen.

Bron
Centauri Dreams (2012)

Video: explosieve vorming van een reusachtig zwart gat

Waar kwamen de enorme zwarte gaten vandaan die zich nu schuilhouden in het centrum van sterrenstelsels als de Melkweg? Zelfs sterrenstelsels van twee miljard jaar oud blijken namelijk al over zwarte gaten te beschikken die niet veel lichter zijn dan in moderne sterrenstelsels. Lang worstelden astronomen met deze vraag, totdat numerieke simulaties het antwoord opleverden. Bekijk hier de spectaculaire beelden van botsende sterrenstelsels, waarbij zich een extreem zwaar zwart gat vormt.

De simulatie stopt daar waar de resolutie te laag wordt. De afstanden in het heelal zijn immens; zelfs de doorsnede van een zwart gat met rond de 4 miljoen zonsmassa’s, zoals Sagittarius A* in het centrum van onze Melkweg, is slechts enkele lichturen. Ter vergelijking: de doorsnede van de Melkweg is rond de 100 000-120 000 lichtjaar. We weten dus niet wat er gebeurt als de zwarte gaten hun dodendans voortzetten. Blijven ze tot in eeuwigheid doorgaan met om elkaar heen te draaien of smelten ze door een of ander proces, bijvoorbeeld door het uitstralen van zwaartekrachtsgolven, toch samen?

Ruimtetelescoop Hubble ontdekte deze koolstofster in zijn laatste dagen.

Zeldzame koolstofster ontdekt

In de meeste sterren komt er meer zuurstof dan koolstof voor. Niet in een zeldzame koolstofster, waar het overschot aan koolstof in de atmosfeer alle zuurstof wegvangt. Hubble fotografeerde een koolstofster in het rode-reus stadium. Hoe zou het leven zijn in een planetenstelsel rond een koolstofster?

Ruimtetelescoop Hubble ontdekte deze koolstofster in zijn laatste dagen.
Ruimtetelescoop Hubble ontdekte deze koolstofster in zijn laatste dagen.

Op ongeveer 1500 lichtjaar afstand. In het sterrenbeeld Camelopardalis (giraffe) staat deze ster (U Camelopardalis), die net zijn atmosfeer weg heeft geblazen. Dit levert een enorme ring van gas op van honderden malen de diameter van de ster. De ster staat hiermee op het punt uit te groeien tot een rode reus. De witte gloed in het centrum is ontstaan omdat de ster zelf te fel is voor de receptoren op de camera. In feite is de ster maar een speldenprikje op de afbeelding. Tijdens diverse uitbarstingen kan tot de helft van de stermassa weggeblazen worden. In de atmosfeer zijn de temperaturen laag genoeg voor chemische verbindingen. In koolstofsterren wordt de zuurstof omgezet in koolmonoxide, waardoor zich ingewikkelde koolwaterstoffen kunnen vormen.

In koolstofsterren verloopt de eindfase snel. Na enkele eeuwen volgt bij zware koolstofsterren een supernova. Bij de zon duurt dat nog vijf miljard jaar. Daarvoor wordt de zon steeds heter. Het zal hier op aarde dus al miljarden jaren daarvoor onbewoonbaar zijn.

Planeten in een planetenstelsel rond een koolstofster hebben veel weg van Titan. De atmosfeer is een roodachtige waas door de vele koolwaterstoffen. Zeeën bestaan, afhankelijk van de lokatie in het planetenstelsel, uit methaan, ethaan of teer.

Bron
NASA

NASA ontwikkelde dit concept voor en vloeibar-spiegeltelescoop op de maan. Bron: NASA

Telescoop op de achterkant van de maan

Ruimtetelecopen moeten noodgedwongen klein en onbemand blijven. Ook is er behoorlijk wat radioruis vanaf de aarde. Is het geen idee het natuurlijke stralingscherm van de maan te gebruiken en een enorm grote telescoop op de achterkant van de maan te bouwen, vragen veel astronomen zich af. Wat zijn de voor- en nadelen van dit plan?

Omstandigheden op de maan
De maan is een met een dun stoflaagje bedekte steenklomp, die altijd dezelfde kant naar de aarde gericht houdt (op de zogeheten libratie na: de maan schommelt enigszins, waardoor we vanaf de aarde 59% van het maanoppervlak waar kunnen nemen). Omdat de maan geen noemenswaard magnetisch veld en maar weinig zwaartekracht kent (minder dan een zesde van die van de aarde), is de atmosfeer al miljarden jaren geleden geheel weggekookt. Het gevolg is dat de temperaturen op de maan onbarmhartig zijn: overdag +117 graden (390 kelvin) en ’s nachts 173 graden onder het nulpunt (100 kelvin). Dat wil zeggen op de evenaar. In poolkraters zijn de laagste temperaturen van het zonnestelsel gemeten: 25 tot 35 kelvin (-248 tot -238 graden). De reden dat alleen op deze plekken waterijs voorkomt. Ook geologisch gezien is de maan al 1,2 miljard jaar dood. Samengevat: de maan is een dode rotsklomp. Althans, voorzover we weten.

NASA ontwikkelde dit concept voor en vloeibar-spiegeltelescoop op de maan. Bron: NASA
NASA ontwikkelde dit concept voor en vloeibaar-spiegeltelescoop op de maan. Bron: NASA

Geen hinderlijke atmosfeer, trillingen en signalen
Juist die eigenschappen die de maan vrijwel onbewoonbaar maken, maken het een gewilde plek om een telescoop neer te zetten. Om te beginnen: de lage zwaartekracht betekent dat de telecoop veel groter kan worden dan op aarde. Er is ook geen hinderlijke atmosfeer. Zelfs in het hooggebergte en op de toppen van uitgedoofde vulkanen trilt de lucht nog steeds, maar op de maan is er geen atmosfeer. Het gevolg: je kan een telescoop bouwen met een spiegeldiameter van honderd meter. Dat is in oppervlakte honderd keer zo groot als de grootste telescoop op aarde.

Vloeibare spiegel
Het principe van een vloeibare spiegel is simpel: een cirkelvormige bak met gesmolten metaal of ander spiegelend materiaal wordt langzaam om zijn as gedraaid. Het oppervlak gaat hol staan, waardoor er een natuurlijke paraboolvormige, gebogen spiegel ontstaat. Deze telescoop zou op de evenaar gebouwd moeten worden, voldoende ver van de libratiezone. Pas recent zijn er bevredigende vloeibare spiegeltelescopen ontwikkeld, door luchtkussenoverbrenging. Op de maan is er uiteraard geen lucht. Hier zou je gebruik kunnen maken van magneetvelden. Opmerklijk is dat deze reuzentelecoop veel goedkoper gebouwd kan worden dan de opvolger van de Hubble telescoop, de James Webb ruimtetelescoop. De hoeveelheid licht die deze telescoop kan opvangen is zo groot, dat de Hubble met bijna factor tweeduizend overtroffen wordt. Dat is nauwkeurig genoeg om de oppervlakte van exoplaneten te kunnen bekijken. We kunnen zo met de telescoop op alienjacht. Nadeel is wel dat dit type telescopen niet of nauwelijks kan bewegen. (1)

De bouw van een radiotelescoop kan op soortgelijke wijze als die van Arecibo of als een vrij bewegende constructie. De krater Daedalus op de achterkant van de maan ligt ongeveer op de evenaar en is goed afgeschermd, mits er een beschermd gebied van 1820 km dooorsnede op de achterkant van de maan wordt ingesteld. [2].

Een radiotelescoop op de maan zou niet worden gehinderd door radiovervuiling. Bron: NASA
Een radiotelescoop op de maan zou niet worden gehinderd door radiovervuiling. Bron: NASA

Infraroodtelescoop in de poolkraters
Infraroodstraling, die wij kunnen voelen als warmte, is vanaf aarde vrijwel niet waar te nemen, omdat de aarde zelf veel infraroodstraling uitzendt. De reden, dat infraroodonderzoek pas echt een enorme boost kreeg door infraroodsatellieten. Infraroodstraling geeft heel veel informatie over koude objecten, zols stofnevels en exoplaneten, de reden dat stronomen zeer geïnteresseerd zijn in infraroodonderzoek.  Ook de James Webb telescoopwordt een infraroodtelescoop. NASA wil de James Webb infraroodtelescoop op meer dan een miljoen kilometer afstand van de aarde laten zweven. Reparaties worden zo vrijwel onuitvoerbaar. Als je een infraroodtelescoop in een extreem koude poolkrater plaatst, bereik je hetzelfde effect als in de open ruimte, terwijl installatie en onderhoud veel makkelijker zijn.[3] Je kan dan veel grotere infraroodtelescopen bouwen en onderhouden voor een fractie van de kosten.

Nadelen
We moeten weer mensen naar de maan sturen en dat kost wat geld. Dat is zonde, want zo kunnen we minder oorlogen voeren en bankiers beschermen tegen faillisementen. Ook denken veel mensen dat het net zo duur is als in 1969 om mensen naar de maan te sturen. In feite is dit onzin: de techniek is nu veel verder dan toen en als we genoegen nemen met dezelfde veiligheidsstandaarden als eind jaren zestig, zouden we in principe voor rond de twintig miljard een compleet maandorp kunnen bouwen. Daar red je nog niet eens een Spaanse bank voor. Uiteraard moet je een degelijk project niet door een bureaucratische organisatie als NASA uit laten voeren, maar door een jong commercieel bedrijf of een jonge, lean and mean overheidsorganisatie.

Lees ook
‘Maangrond bezitten toch mogelijk’
Stad op de maan

Bronnen
1. A Plan to Build a Giant Liquid Telescope on the Moon, Wired Science, 2007
2. C. Macchone, PAC: PROTECTED ANTIPODE CIRCLE at the center of the Farside of the Moon for the benefit of all Humankind, Alter Vista (2007)
3. G. D.Illingworth, 16 M UV-visible-IR lunar-based telescope, AIP (1990) (alleen abstract gratis)

De Melkweg wordt omringd door een onzichtbare halo van donkere materie. Deze moet het vreemde rotatiegedrag van de Melkweg verklaren. bron: ESO

UPDATE: ‘Donkere materie bestaat toch wel’

De nauwkeurigste zoektocht ooit naar donkere materie in de omgeving van de zon, wijst uit dat er geen enkel zwaartekrachtseffect van donkere materie is. Dit terwijl donkere-materiemodellen deze wel voorspellen. Astronomen en natuurkundigen ziten nu met de handen in het haar. Alleen afwijkingen in de zwaartekrachtstheorie – of een totaal nieuwe natuurkunde – lijken nog soelaas te bieden.

De Melkweg wordt omringd door een onzichtbare halo van donkere materie. Deze moet het vreemde rotatiegedrag van de Melkweg verklaren. bron: ESO
De Melkweg wordt omringd door een onzichtbare halo van donkere materie. Deze moet het vreemde rotatiegedrag van de Melkweg verklaren. bron: ESO

Bizarre snelle draaiing
Met sterrenstelsels zoals de Melkweg is wat merkwaardigs aan de hand. Het buitenste deel lijkt in verhouding veel sneller te draaien dan het binnenste deel. Dit is niet wat je zou verwachten. Immers, de zwaartekracht in het binnenste deel van het sterrenstelsel is veel sterker dan in de buitenste delen. Je zou dus verwachten dat het binnenste deel veel sneler zou draaien dan het buitenste deel. Dat blijkt niet het geval. De reden is, vermoeden astronomen, een grote onzichtbare halo van ‘donkere materie’: materie die niet reageert op zichtbare materie, maar wel zwaartekracht uitoefent. Het binnenste deel van het Melkwegstelsel merkt niets van de donkere materie in het buitenste deel, omdat de zwaartekracht daarvan zichzelf opheft. Sterren en andere objecten aan de rand van het sterrenstelsel merken die invloed uiteraard wel, waardoor ze veel sneller rond het centrum van de Melkweg draaien dan verwacht kan worden als er geen donkere materie zou zijn.

Door nauwkeurige metingen te doen aan sterren en hun bewegingen, kunnen astronomen een globale indruk krijgen van de zwaartekrachtsvelden waardoor deze sterren worden beïnvloed en dus de donkere-materieverdeing in bijvoorbeeld onze eigen Melkweg. Deze heeft veel weg van een bolvormige halo, die in het centrum veel dichter is dan aan de randen.

Op zoek naar de zwaartekracht van donkere materie
Volgens het gebruikelijke donkere-materiemodel bevindt zich ongeveer vier keer zoveel donkere materie als zichtbare materie in het heelal (en ongeveer ook in die verhouding in de Melkweg). Dit betekent ook, dat er de nodige donkere materie moet zijn in het gebied rond de zon. De invloed daarvan moet merkbaar zijn op de bewegingen van sterren. Precies dat is nu onderzocht. Een team astronomen gebruikte de (vrij kleine) MPG/ESO 2.2-meter telescoop op ESO’s La Silla Observatory, in combinatie met andere telescopen. Hierbij maten ze zeer precies de bewegingen van meer dan 400 sterren tot op 13 000 lichtjaar afstand van de zon. Met behulp van deze nieuwe data berekenden ze de massa van het materiaal in de nabijheid van de zon, een volume dat vier keer zo groot is als in eerdere onderzoeken. Volgens de donkere-materietheorie zweeft er in een volume zo groot als de aarde rond een kilogram donkere materie. Niet veel, maar gezien de enorme omvang van het bestudeerde volume, is het totaaleffect toch enorm.

Spoorloos
Naar bleek, was de hoeveelheid massa, afgeleid van de gemeten zwaartekracht, precies gelijk aan wat verwacht kon worden aan de hand van de massa van bekende sterren, stofwolken en gaswolken in dit gebied. Er bleek geen spoor van donkere materie aanwezig, aldus teamleider Christian Moni Bidin (Departamento de Astronomía, Universidad de Concepción, Chili). Volgens de berekeningen moest de donkere materie opduiken en sterbewegingen verstoren. Dit bleek niet te gebeuren: de sterren gedroegen zich precies zoals verwacht kon worden aan de hand van de bekende zwaartekrachtsbronnen. Dit is heel vervelend voor astronomen, want donkere materie vervult nu al een glansrol in allerlei theorieën die het ontstaan van sterrenstelsels beschrijven. Die kunnen dus waarschijnlijk de prullenbak in. Ook onze hoop om donkere materie door middel van zeer gevoelige ondergrondse deeltjesdetectoren te ontdekken, is waarschijnlijk tevergeefs.

Andere verklaring
Als donkere materie de waargenomen effecten niet verklaart, moet er wat anders aan de hand zijn. Een klein aantal natuurkundigen gelooft dat de zwaartekracht zich op zeer grote afstanden anders gaat gedragen: MOND (MOdified Newtonian Dynamics). Interessant is dat dit een (miniem) effect op de baanbewegingen van de ruimtesondes Pioneer 10 en Pioneer 11 moet hebben. Hierover is dan ook een vinnig debat aan de gang: volgens de meeste natuurkundigen worden de afwijkingen veroorzaakt door warmtestraling, die de ruimtesondes een zetje geeft. Zoals Sir Arthur Conan Doyle zijn held Sherlock Holmes al liet zeggen: als het onmogelijke is uitgesloten, wordt het onwaarschijnlijke waarschijnlijk. We zullen dus dit soort verklaringen – of nog veel verder gaande verklaringen, zoals die van Erik Verlinde of Arto Annila – serieus moeten gaan onderzoeken.

UPDATE: Fout in berekeningen
Zoals vaker in de wetenschap is ook dit resultaat niet zo solide als het oorspronkelijk leek. Toen een andere groep onderzoekers de berekening naliep bleek er wel degelijk donkere materie aanwezig. Wordt vervolgd.

Bron
Moni Bidin C., Carraro, G., Méndez, R.A., & Smith, R., Kinematical and chemical vertical structure of the Galactic thick disk II. A lack of dark matter in the solar neighborhood, arXiv:1204.3924 (2012)

Zware pulsar mogelijk in strijd met theorie Einstein

Pulsars, toch al bekend vanwege hun extreme natuurkundige eigenschappen, hebben nu gezelschap gekregen van een soortgenoot met eigenschappen die de algemene relativiteitstheorie lijken te tarten: een neutronenster, zo klein dat deze bijna op Texel past maar met een massa van 2,04 maal die van de zon.

Deze opname van de Vela-pulsar laat goed zien wat er zich werkelijk afspeelt rond een pulsar. Zichtbaar zijn de accretieschijf en een bundel met heet gas. bron: NASA
Deze opname van de Vela-pulsar laat goed zien wat er zich werkelijk afspeelt rond een pulsar. Zichtbaar zijn de accretieschijf en een bundel met heet gas. bron: NASA

Kosmische vuurtorens en zwaartekrachtsgolven
Pulsars zijn de uitgebluste restanten van zware sterren, die zeer snel rondtollen en zo voortdurend, als een kosmische vuurtoren, een bundel radiogolven laten uitwaaieren over het universum. De snelst rondtollende pulsars worden voortdurend gevoed met materiaal van hun begeleider (bijvoorbeeld een ster of een witte dwerg), die de pulsar voor miljarden jaren kan voeden tot beide objecten botsen.

Volgens de algemene relativiteitstheorie bestaan er zogeheten zwaartekrachtsgolven. Twee snel rondtollende en extreem zware objecten, zoals een dergelijk binair paar, veroorzaken sterke rimpels in ruimtetijd. Zwaartekrachtsgolven zijn nog niet direct waargenomen, maar uit het gemeten energieverlies van binaire sterren, dat precies overeenkomt met de energie die volgens Einstein als zwaartekrachtsgolven uitgezonden wordt, weten we dat ze waarschijnlijk wel bestaan.

Kapotte telescoop ontdekt zwaarste pulsar ooit
J0348+0432, nu de zwaarste pulsar ooit ontdekt, dook op in een onderzoek tijdens de reparatie van de Green Bank Telescope in West Virginia. De 100 meter doorsnede schotel kon niet worden bewogen, dus besloten de astronomen maar gebruik te maken van de natuurlijke draaiing van de aarde. Met opmerkelijke resultaten, aldus Victoria Kaspi van de McGill University in Montreal, Canada.

De nieuw ontdekte pulsar heeft een periode van 39 milliseconde. Dat  betekent dat de pulsar sneller dan 25 maal per seconde rondtolt. De pulsar vormt een binair stelsel met een veel lichtere witte dwerg (0,172 maal de massa van de zon). De massa van witte dwergen vaststellen is niet erg moeilijk. Het extreem sterke zwaartekrachtsveld zorgt namelijk voor roodverschuiving (het licht wordt uitgerekt, dus roder): hoe groter de roodverschuiving, hoe zwaarder de witte dwerg.

Door de relatieve schommelingen van beide objecten vast te stellen kon het team de massa van de pulsar zelf vaststellen: een tot nu toe onovertroffen 2,04 maal die van de zon (vergeleken met de 1,97 zonsmassa van de vorige recordhouder).

Alternatieve zwaartekrachtstheorieën getest
Ten eerste kunnen met behulp van dit paar alternatieve zwaartekrachtstheorieën worden getest, juist omdat de massa van de witte dwerg en de neutronenster zo sterk verschillen. Volgens enkele alternatieve zwaartekrachtstheorieën treden er binnen neutronensterren extra zwaartekrachtseffecten op die niet in de veel grotere witte dwerg (met de grootte van ongeveer de aarde) optreden. Deze effecten zouden de zwaartekracht zelf beïnvloeden en extra zwaartekrachtsgolven opwekken, waardoor dit paar elkaar sneller zou naderen. Dat op zijn beurt is waar te nemen door de effecten op rotatie en de pulsar.

Maar klopt de algemene relativiteitstheorie wel?
Een tweede interessante toets voor de algemene relativiteitstheorie heeft te maken met de zeer grote massa van de pulsar zelf. Eigenlijk is deze te groot om stabiel te kunnen blijven. Als een pulsar namelijk zwaarder is dan twee zonsmassa’s, moeten de neutronen, of andere (nog hypothetische) deeltjes  waaruit de pulsar bestaat sneller bewegen dan het licht om voldoende afstotende kracht te leveren. Zoals bekend, kan dat niet volgens de relativiteitstheorie, waardoor niets de instorting meer tegenhoudt en de neutronenster onherroepelijk instort tot een zwart gat. Deze limiet, de Tolman-Oppenheimer-Volkoff limiet, ligt op rond de 1,5-3 zonsmassa’s. 2,04 zonsmasa’s komt aardig in de buurt…

Bron
New Scientist (2012)

Zo ziet het (waarschijnlijke) zwarte gat in het centrum van de Melkweg er vermoedelijk uit. Bron: NASA

Zwerfsterren in intergalactische ruimte gevonden

Het zwaartekrachtsveld van de Melkweg is immens groot. Toch zijn er sterren die er in slagen om te ontkomen aan de greep van de Melkweg, wijst een nieuwe ontdekking uit. Zouden sterren van het ene sterrenstelsel naar het andere kunnen reizen?

Zo ziet het (waarschijnlijke) zwarte gat in het centrum van de Melkweg er vermoedelijk uit. Bron: NASA
Zo ziet het (waarschijnlijke) zwarte gat in het centrum van de Melkweg er vermoedelijk uit. Bron: NASA

Rode reuzen
Onderzoekers van de Amerikaanse Vanderbilt University hebben bijna zevenhonderd zwervende sterren ontdekt die uit de Melkweg lijken te zijn geslingerd. Toen deze sterren de krachtige slinger kregen die ze uit het Melkwegstelsel lanceerde, waren het kleine gele sterren zoals de zon. In de miljoenen jaren dat hun reis door de intergalactische ruimte duurde, zijn ze veranderd in rode reuzen, de fase aan het einde van het leven van een ster, waarin de ster sterk opzwelt en veel meer licht uitzendt.

Zeer ingewikkeld om zware ster uit Melkweg weg te schieten
Om een voorwerp zoals een ster uit de enorm diepe zwaartekrachtsput van de Melkweg weg te slingeren is een enorme snelheid nodig, rond de drie miljoen kilometer per uur. Dit is een paar tiende procent van de lichtsnelheid. Er zijn niet veel natuurlije processen bekend die een enorm object als een ster ter grootte van de zon deze snelheid te geven. De eenvoudigste verklaring is dat het immense zwarte gat in het centrum van de Melkweg hiervoor verantwoordelijk is. Tot nu tope hebben astronomen zestien van dergelijke “hypervelocity stars” gevonden. Hoewel ze snel genoeg reizen om uiteindelijk te ontsnappen aan de melkweg, zijn ze nog binnen de Melkweg aangetroffen. De groep astronomen melden in hun artikel dat ze een groep van meer dan 675 sterren aan de randen van de Melkweg hebben aangetroffen die, volgens hen, sterren met zeer hoge snelheid zijn die uit de kern van de Melkweg zijn weggeslingerd.

Hoog “metaal”gehalte wijst op oorsprong uit de kern
Ze selecteerden deze sterren gebaseerd op hun locatie in de intergalactische ruimte tussen de Melkweg en het Andromedastelsel  (de verst waargenomen ster bevindt zich op 2 miljoen lichtjaar, in de buurt van de afstand tot het Andromedastelsel) en door hun opmerkelijk rode kleur. Het zijn namelijk rode-reuzensterren met een ongebruikelijk hoog metaalgehalte (astronomen noemen alles zwaarder dan waterstof of helium een metaal), aldus assistent-hoogleraar Kelly Holley-Bockelmann, die het onderzoek verrichte met aio Lauren Palladino. Dit is een teken dat de ster afkomstig is uit het centrum van de Melkweg, waar veel “metaal”-rijke resten van al eerder geëxplodeerde sterren aanwezig zijn. Oudere sterren en sterren aan de randen van het Melkwegstelsel zijn in dit gebied doorgaans de eerste generatie en bestaan vrijwel geheel uit waterstof en helium. De onderzoekers identificeerden deze kandidaten door de miljoenen sterren die gecatalogiseerd zijn in de Sloan Digital Sky Survey te ziften. Wat weer het nut bewijst van saai werk, overigens.

Eerste keer op zoek naar sterren aan de zwerf
“We dachten dat deze zwerfsterren daadwerkelijk moesten bestaan, buiten de Melkweg, maar tot nu toe nam niemand de moeite om er actief naar te zoeken. Dus we besloten om een poging te wagen,” aldus Holley-Bockelmann, die het fourageergedrag van het zwarte gat in het centrum van de Melkweg bestudeert. Volgens astronomen is het zwaartekrachtsveld van dit zwarte gat sterk genoeg om sterren met miljoenen kilometers per uur weg te schieten. Inderdaad weten we uit spectroscopische Dopplermetingen dat bijvoorbeeld de blauwe reuzenster ster S2, die rond het zwarte gat draait, een omloopsnelheid heeft van enkele procenten van de lichtsnelheid. Zo vreemd is de gedachte dus niet dat er af en toe een ster in de buurt komt van dit vier miljoen zonsmassa’s wegende monster en werkelijk een enorm sterke slinger richting intergalactische ruimte krijgt. Berekeningen wijzen dit ook uit.

Dubbelster of dodendans van zwart gat
Het meest voorkomende scenario houdt een dubbelster in die in wordt gevangen in het zwarte gat. Als één van de sterren wordt opgeslokt door het zwarte gat, krijgt de resterende ster alle impuls van het oorspronkelijke dubbelsterstelsel mee en wordt met een werkelijk titanische snelheid het Melkwegstelsel uit wordt geslingerd. In een tweede scenario wordt een ster gevangen in de dodendans van een kleiner zwart gat, dat wordt ingevangen door het centrale zwarte gat, bijvoorbeeld omdat een dwergsterrenstelsel wordt opgeslokt door de Melkweg. Elke ster die te dicht in de buurt komt van dit paar, krijgt ook een deel van de enorme impuls mee en wordt met een extreem hoge snelheid de Melkweg uit geslingerd. De sterren in Holley-Bockelmann’s groep zwervers moeten dus kleine sterren zoals de Zon zijn geweest die tijdens hun verre reis naar buiten, de Hoofdreeks bleven doorlopen tot ze door alle waterstof heen waren en opzwollen tot rode reuzen. Zelfs met hypersnelheid zou het een ster ongeveer tien miljoen jaar kosten (ongeveer 0,2% van de leeftijd van de zon) om vanaf het absolute centrum van de Melkweg naar de buitengewesten te reizen op 50 000 lichtjaar afstand. De verst verwijderde sterren op meer dan een miljoen lichtjaar afstand hebben bijna een miljard jaren gereisd.

Waarschijnlijk zijn er veel meer sterren die nog in de stabiele Hoofdreeksfase verkeren, of ondertussen al in een witte dwerg zijn veranderd, onderweg, maar deze zijn veel lastiger waar te nemen. Een rode reus zendt namelijk duizend tot tienduizend maal zoveel vermogen uit als een stabiele ster met dezelfde massa. Dat komt omdat de heliumfusie bij veel hogere temperatuur en veel sneller plaastvindt. Erg lang duurt deze fase dus niet, maar deze sterren zijn over veel grotere afstanden waarneembaar. Er is echter nog een mogelijkheid dat het hier om ongebruikelijk rode bruine dwergen gaat. Bruine dwergen zijn ‘mislukte’ sterren, die niet groot genoeg zijn voor waterstoffusie, alleen enige deuteriumfusie en nauwelijks licht uitzenden. Omdat bruine dwergen, zeker vergeleken met rode reuzen, echt  extreem lichtzwak zijn, moeten ze vele duizenden malen dichterbij staan om dit resultaat te verklaren.

Leven van ene sterrenstelsel naar andere?
In theorie zou het hiermee mogelijk zijn dat een planeet met levensvormen van de ene melkweg naar de andere reist. Een extreem compact planetenstelsel zoals dat om een rode dwergster, bijvoorbeeld een rode dwerg die een dubbelster vormt met een veel grotere ster, zou vermoedelijk de maltraitering door het zwarte gat kunnen overleven. Omdat de levensduur van rode dwergen extreem lang is, in de orde van duizenen miljarden jaren, zou hiermee het leven met gemak van de ene melkweg naar de andere verspreid kunnen worden. De inslag van een asteroïde zou vervolgens brokstukken met eencelligen verspreiden over de naburige sterren. Vergezocht? Mogelijk. Aan de andere kant: het heelal is groot, extreem groot en er zijn vijf tot tien keer zoveel rode dwergen als zonachtige sterren. Zien kunnen we ze op die afstand niet omdat ze veel lichtzwakker zijn dan de zon, laat staan de ontdekte rode reuzen. Wie weet is het nu op aarde tierende leven wel ontstaan in het centrum van een ander sterrenstelsel in de Lokale Groep en vervolgens via deze stellaire transportroute hier naartoe getransporteerd.

Bron:
Rogue stars ejected from the galaxy found in intergalactic space, Vanderbilt University (2012)
Lauren E. Palladino, Kelly Holley-Bockelmann et al., Identifying High Metallicity M Giants at Intragroup Distances with SDSS, ArXiv  preprint server (2012)

De zaak van de sterren die niet horen te bestaan

Uit de allervroegste beelden van melkwegstelsels, waarvan het licht dat ons nu bereikt vlak na hun ontstaan dateert, blijkt dat ze drie maal zoveel sterren bevatten als verwacht. Astronomen staan voor een raadsel.

De open sterrenhoop Omega Centauri ligt op ongeveer 16.000 lichtjaar van de aarde. Uit recent onderzoek blijken de sterren van de sterrenhoop rond een centrale as te draaien. Een rest van een dwergsterrenstelsel? Bron: NASA, ESA ex. Wikimedia Commons
De open sterrenhoop Omega Centauri ligt op ongeveer 16.000 lichtjaar van de aarde. Uit recent onderzoek blijken de sterren van de sterrenhoop rond een centrale as te draaien. Een rest van een dwergsterrenstelsel? Bron: NASA, ESA ex. Wikimedia Commons

Aantal sterren zwaar onderschat
In dit beeld van de bolvormige sterrenhoop Omega Centauri (vermoedelijk een restant van een door de Melkweg opgeslokt dwergsterrenstelsel), die deel uitmaakt van de Melkweg, zijn heldere, hete sterren blauw gekleurd, zwakke rood. Voor verder weg gelegen sterrenstelels werkt deze methode niet: lichtzwakke sterren zijn onmogelijk te zien.

Nu blijkt dat sommige van de verst weggelegen sterrenstelsels in het universum werkelijk wemelen van de sterren, veel meer dan verwacht. De enige informatie die sterrenstelsels astronomen geven, komt van het licht van hun sterren. Echter: niet alle massa van een sterrenstelsel bevindt zich in hun sterren.

Donkere materie
Sommige massa is opgesloten in onzichtbare donkere materie, die niet direct kan worden waargenomen. Om dit probleem op te lossen, schatten astronomen doorgaans de massa van een sterrenstelsel door in kaart te brengen hoe de sterren ten opzichte van elkaar bewegen. Snel bewegende sterren zijn doorgaans een teken van veel zwaartekrachtswerking, dus van veel massa. Ze vergelijken de hoeveelheid zichtbare massa met de uit de sterbewegingen en -verdeling blijkende massa en nemen aan dat de rest rekenkundig kan worden aangevuld met donkere materie.

“Om precies te schatten wat de massa is die [sterrenstelsels] werkelijk hebben, gebruiken we altijd een bepaalde conversiefactor [IMF – stellar initial mass function – red.],” aldus University of Oxford astronoom Michele Cappellari. “De conversiefactor die we vele decennia hebben gebruikt, blijkt niet te kloppen.” De IMF geeft weer hoe de massaverdeling is van sterren die in sterrenstelsels gevormd worden, m.a.w. hoeveel massa in lichte of juist zware typen sterren gaat zitten. Tot nu toe werd aangenomen dat die verdeling voor ieder type sterrenstelsel gelijk was.

Drie keer teveel sterren
Cappellari ontdekte dat de verhouding tussen zichtbaar licht en stermassa niet hetzelfde is voor alle sterrenstelsels – deze verschilt per type stelsel. De fout was het grootst voor de verst verwijderde sterrenstelsels, waar zich drie keer zoveel sterren in bevonden als hiervoor gedacht. Naar bleek, hadden astronomen de zwakke sterren in deze verre sterrenstelsels niet meegeteld.

Waarmee een nieuw kosmisch raadsel is geschapen. Als we verafgelegen sterrenstelsels zien, zien we ze op een zeer jeugdige leeftijd. De hamvraag: waar kwamen al die vele sterren in deze sterenstelsels vandaan? Cappillari concludeert: “Ze [de sterrenstelsels] moeten sneller groeien dan we tot nu toe dachten.”

Bronnen
Under ‘dark halo’ old galaxies have many more stars, Oxford Universiteit, 2012
Michele Cappellari, Systematic variation of the stellar initial mass function in early-type galaxies, Nature (2012), doi:10.1038/nature10972

Het restant van de supernova die in 1006 werd waargenomen door voornamelijk Chinese en Arabische waarnemers.

Bewijs voor nabije supernova in sediment Indische Oceaan

De gammastraling die bij supernova explosies vrijkomt is genoemd als een mogelijke oorzaak van de op een na grootste massa-extinctie in de geschiedenis van de Aarde, 450 miljoen jaar geleden. In deze tijd was het land nog nauwelijks gekoloniseerd maar (eenvoudig) zeeleven stierf massaal uit. In dit supernova scenario vernietigt de gammastraling een deel van de ozonlaag, waarna het leven getroffen wordt door een hoge dosis UV straling van de Zon. Daarnaast kan het gas van een nabije supernova explosie zelfs een deel van de aardatmosfeer wegblazen. Supernova’s zijn zeer gevaarlijk voor het leven op Aarde als ze op minder dan circa 30 lichtjaar afstand plaatsvinden.[1]

Sporen van prehistorische supernova’s

Supernova’s zijn in te delen in twee hoofdcategorieën. Ten eerste zware sterren waarvan de opgebrande kern aan het eind van hun leven instort onder de eigen zwaartekracht, waarna de buitenlagen met zeer hoge snelheid weggeblazen worden. Iets zeldzamer is een thermonucleair exploderende koolstof-zuurstof witte dwerg in een dubbelster systeem, zoals degene die in 1572 werd waargenomen in onze Melkweg. In beide gevallen laten ze een heldere uitzettende nevel achter (zie afbeelding). Deze nevels zien we alleen van recente supernova’s; na enkele tienduizenden jaren gaat de nevel op in het interstellaire gas.

Het restant van de supernova die in 1006 werd waargenomen door voornamelijk Chinese en Arabische waarnemers.
Het restant van de supernova die in 1006 werd waargenomen door voornamelijk Chinese en Arabische waarnemers. Bron: Wikimedia commons.

Ons zonnestelsel beweegt door de Lokale Bel, een `holte’ waarin het interstellaire gas een tienmaal lagere dichtheid heeft dan gemiddeld in de Melkweg. Mogelijk is deze Bel gevormd door een reeks supernova explosies gedurende de laatste 10 miljoen jaar, die het omringende gas hebben weggeblazen.

Direct bewijsmateriaal

De meeste informatie uit het heelal bereikt ons via licht en andere straling, maar daarnaast krijgen we ook bezoek van materiële boodschappers: atoomkernen en elektronen, gezamenlijk ongelukkig `kosmische straling’ genaamd. Als er vlakbij de Aarde een supernova ontploft, worden er zelfs grote hoeveelheden bijzondere isotopen op Aarde gedumpt.

In de explosie komt zoveel energie vrij dat er zware elementen gevormd worden, waarvan een deel radioactief is. Als ze voldoende langzaam vervallen en op Aarde terecht komen, zouden we deze terug moeten kunnen vinden. En inderdaad, in 1999 is dit voor het eerst gelukt, en in 2004 werd een sterk verhoogde concentratie van ijzer-60 gevonden in een 2 miljoen jaar oude laag in de aardkorst onder de Grote Oceaan.[2] Dit kan alleen maar verklaard worden door een nabije supernova van een zware ster met instortende kern, waarbij maar liefst enkele aardmassa’s aan ijzer-60 wordt geproduceerd. Naast de enorme productie is ijzer-60 een bruikbaar isotoop omdat de halfwaardetijd zo’n 2,6 miljoen jaar is,[3] dus van dezelfde orde van grootte als de leeftijd van de afzetting. De hoeveelheid ijzer-60 die gevonden is suggereert dat de supernova zo’n 100 lichtjaar ver weg plaatsvond, op redelijk veilige afstand. Niettemin is de gammastraling ervan in verband gebracht met het uitsterven van zeeleven ten tijde van het begin van het Pleistoceen (het tijdperk van de ijstijden, dat in feite nog steeds voortduurt).[4]

Een supernova kan de helderheid van een heel melkwegstelsel benaderen. Op 30 lichtjaar kan een supernova 1% van de helderheid van de Zon bereiken.
Een supernova kan de helderheid van een heel melkwegstelsel benaderen. Op 30 lichtjaar kan een supernova 1% van de helderheid van de Zon bereiken. Bron: Wikimedia commons.

Nu heeft een groep onderzoekers een veel nauwkeuriger methode bedacht die gebruik maakt van sediment afzetting op de oceaanbodem, in dit geval twee kolommen van enkele meters sediment die 40 jaar geleden al zijn gewonnen uit de bodem van de Indische Oceaan in de buurt van Australië. Door de relatief snelle aanwas is de datering van sediment ruim 1000 maal preciezer dan de datering van afzettingen in de aardkorst, die tot nu toe gebruikt werden. Naast ijzer-60 zijn ook aluminium-26, mangaan-53 en plutonium-244 te gebruiken voor extra precisie, al zit hun concentratie dicht bij het `achtergrond niveau’ veroorzaakt door andere bronnen.[5]

Moeten wij ons nu zorgen maken?

Echt gevaarlijke supernova’s, dus die binnen 30 lichtjaar van de Aarde, zijn heel zeldzaam, grofweg 1 per miljard jaar. Deze kans zou de komende tijd wat groter kunnen worden omdat ons zonnestelsel zich nu in een spiraalarm bevindt. Zware sterren zijn erg helder, en we zien dat er op dit moment geen dicht bij de Aarde staan. Betelgeuze is een supernova kandidaat maar staat op zo’n 700 lichtjaar afstand.
Het andere type supernova, witte dwergen in dubbelsterren, is een stuk verraderlijker. Het is nog niet duidelijk hoe ze precies ontstaan — een witte dwerg die massa invangt van een zon-achtige begeleider, of twee witte dwergen die naar elkaar toe spiraliseren. In het laatste geval zouden we de ontploffing mogelijk niet aan zien komen omdat witte dwergen erg klein zijn en daardoor slecht te zien.

Bronnen en noten
[1] Nick Bostrom & Milan M. Ćirković (eds., 2008) – Global Catastrophic Risks (Oxford: Oxford University Press)
[2] K. Knie et al. (2004) – Fe-60 Anomaly in a Deep-Sea Manganese Crust and Implications for a Nearby Supernova Source
[3] Ten tijde van dit onderzoek dacht men nog dat de halfwaardetijd van ijzer-60 1,5 miljoen jaar was. Verder is ook de halfwaarde tijd van beryllium-10 sindsdien bijgesteld; oorspronkelijk werd de supernova op zo’n 2,8 miljoen jaar geleden gedateerd.
[4] Katie Pennicott (2002) – Supernova link to ancient extinction
[5] Jenny Feige et al. (2012) – The Search for Supernova-produced Radionuclides in Terrestrial Deep-sea Archives

Lees ook
Supernovae en hypernovae: kosmische waterstofbommen
Kosmische catastrofe in de maak?
‘Death Star cluster bekogelde aarde met verzengende gammabundel’

Video: Violent universe

De serene sterrenhemel die we ’s nachts zien is, als je op grotere tijdschalen kijkt, maar schijn. Zwarte gaten, bijvoorbeeld, zijn in staat complete sterren uit elkaar te trekken en op te slokken. Een zware hypernova op minder dan enkele honderden lichtjaren van een planeet met leven, zal het leven op deze planeet ernstige schade toebrengen. En dan zijn er nog meer alledaagse kosmische gebeurtenissen, zoals asteroïde-inslagen en stervorming. Ook onze zon kent over rond de vijf miljard jaar na nu een gewelddadig einde.
Toegegeven, je moet er wel drie uur de tijd voor hebben, op zich dus wel nuttig voor een Eerste Paasdag, maar deze documentaires achter elkaar geven een goede indruk van het vaak extreme geweld dat er in het heelal plaatsvindt.

De hele serie is te vinden op: http://topdocumentaryfilms.com/violent-universe/
Met dank aan Douwe voor de tip.