sterevolutie

‘Zwerfsterren verspreidden leven naar andere sterrenstelsels’

Naar we nu weten, worden grote hoeveelheden sterren met zeer grote snelheden de intergalactische ruimte in geslingerd. Zou dit verklaren hoe het leven op aarde terecht is gekomen?

Centrum Melkweg: ideale verspreidingsgrond voor leven
Op ongeveer 26.000 lichtjaar afstand bevindt zich het centrale zwarte gat van de Melkweg, waaromheen de rest van het sterrenstelsel draait. De sterdichtheid in dit gebied is enorm: waar in de omgeving van de Zon sterren op gemiddeld enkele lichtjaren afstand van elkaar staan, zijn de afstanden in de dichtbevolkte kern van het Melkwegstelsel veel kleiner: gemiddeld 100 sterren per kubieke parsec, wat neerkomt op een gemiddelde afstand van minder dan 0,8 lichtjaar tussen sterren. Op deze korte afstanden zullen de Oortwolken rond deze sterren voortdurend brokstukken uitwisselen; volgens sommige schattingen is de uiterste rand van de Oortwolk rond de zon ongeveer een lichtjaar in diameter. De kans is dus veel groter dan hier, in de buitengewesten van het Melkwegstelsel, dat het leven zich van het ene planetenstelsel naar het andere kan verplaatsen.

Eerder bouwstenen voor leven aanwezig
Een ander argument is dat de ‘metaalrijke’ Populatie I sterren in het centrum van de Melkweg rijk zijn aan atomen zwaarder dan waterstof en helium. Vlak na het ontstaan van het heelal bestond er alleen waterstof, het extreem inerte edelgas helium en een spoortje lithium. Er zijn hiermee welgeteld drie chemische verbindingen mogelijk: moleculair waterstof (H2), metallisch lithium (Li) en lithiumhydride (LiH). Veel te weinig voor welke vorm van op chemie gebaseerd leven dan ook.

De vele sterexplosies maken het centrum van de Melkweg weinig gastvrij voor complex leven, maar eencelligen zouden zich er prima thuisvoelen. Bron/copyright: dailygalaxy.com

Leven kan alleen ontstaan als zich koolstof, zuurstof en stikstof hebben gevormd. Deze zijn ontstaan na supernova’s, die in het dichte centrum van de Melkweg veel meer, en ook al eerder, voorkwamen dan in de spiraalarmen. De omstandigheden voor het ontstaan van leven waren daar dus al miljarden jaren eerder aanwezig dan hier in de periferie. De kernen van zeer ver weg gelegen sterrenstelsels, waarvan het licht van vlak na het ontstaan van het heelal dateert, laten reeds grote hoeveelheden zwaardere elementen zien, meer zelfs dan die van de zon (!) [1]. Er was dus erg veel gelegenheid voor het leven om zich in deze omgeving te vormen.

Sterexplosies te overleven door bacteriën
Door sommige auteurs is het galactische centrum een onwaarschijnlijke plaats voor het ontstaan van complex leven genoemd, juist door deze veel optredende dodelijke sterexplosies[2]. Eenvoudige levensvormen zoals bacteriën worden echter effectief beschermd door een dikke laag water, die op oceaanwerelden en ijsplaneten overvloedig aanwezig is. Op aarde komen bacteriën in de aardkorst, zo lijkt het, voor tot op 20 kilometer diepte[3]. Voor bacteriën ligt het verhaal dus heel anders. De oudste aangetroffen sporen van leven op aarde zijn van prokaryoten, eencellige organismen zonder celkern. Deze kunnen, zo weten we, uitstekend overleven op een aardachtige planeet of ijsplaneet in het galactische centrum.

Zwerfsterren als uitzaaiers van leven
Naar we nu weten, worden er zeer grote hoeveelheden sterren uit de Melkweg geslingerd. Volgens sommige schattingen bevinden er zich zelfs meer sterren in de intergalactische ruimte dan in sterrenstelsels.
Sommige sterren die rond het zwarte gat in het centrum van de Melkweg roteren, zoals de ster S2, bereiken relativistische snelheden van (bij S2) 1,67 procent de lichtsnelheid. Voldoende om te ontsnappen aan het zwaartekrachtsveld van de Melkweg en zeker voldoende om bijvoorbeeld het gebied van de Zon te bereiken, gesteld dat er een mechanisme bestond waarmee ze zich uit het zwaartekrachtsveld van dit zwarte gat konden bevrijden. Astronomen Loeb and Guillochon denken een dergelijk mechanisme gevonden te hebben[4]. De Melkweg slokt voortdurend kleinere sterrenstelsels op. Als het centrale zwarte gat dat van de Melkweg ontmoet, worden de omloopbanen van de sterren die hierom heen draaien instabiel. Deze worden dan soms weggeslingerd met snelheden die tot tientallen procenten van de lichtsnelheid kunnen bedragen. Je kan zelf dit effect waarnemen, als je in een zwaartekrachtssimulator, bijvoorbeeld deze, twee sterren met elk een planetenstelsel elkaar laat naderen.
Deze sterren zijn ook waar te nemen in de intergalactische ruimte, als ze het einde van hun bestaan in de Hoofdreeks naderen en, uitgeput, veranderen in rode reus [5].
Hiermee wordt het in principe mogelijk, dat sterren van het ene sterrenstelsel naar het andere reizen, met in hun kielzog een zwerm ijzige brokstukken die mogelijk leven herbergen. Een interessante theorie. Zou het leven afkomstig kunnen zijn van buiten de Melkweg?

Bronnen
1. Y. Juarez et al., The metallicity of the most distant quasars, A&A 494, L25-L28 (2009), DOI: 10.1051/0004-6361:200811415
2. CHarles H. Lineweaver et al., The Galactic Habitable Zone and the Age Distribution of Complex Life in the Milky Way, gepubliceerd in Science (2004)
3. Philippa S. Stoddard et al., Light carbon stable isotopes in aragonite veins, Lopez Island, WA: evidence for deep life?, Geological Society of America Annual Proceeding, 2014
4. James Guillochon en Abraham Loeb, The Fastest Unbound Stars in the Universe, ArXiv preprint server (2014)
5. James Guillochon en Abraham Loeb, Observational Cosmology With Semi-Relativistic Stars, ArXiv preprint server (2014)


Lees ook:

Is het zonnestelsel afkomstig uit het centrum van de Melkweg?
Zwerfsterren in intergalactische ruimte gevonden
Kosmische oceaan ontdekt

Video: neutronensterren vormen zwart gat

Een neutronenster is de massa van een complete ster, samengebald in een bol van tien tot vijftien kilometer doorsnede. Neutronensterren vormen zich, als de massa van een opgebrande ster tussen de 1,44 en (dit is onzeker) drie tot vijf zonsmassa’s of meer in ligt: volgens sommige hypothesen kunnen zich bij hogere massa’s nog quarksterren vormen. Een vrij nauwe massabegrenzing dus. De kans is dan ook niet heel groot, dat twee neutronensterren voortkomen uit een dubbelster.

Botsende neutronensterren in een artist impression. In werkelijkheid zijn neutronensterren zeer heet, waardoor ze waarschijnlijk wit opgloeien. Bron: Harvard.edu

Toch komt dit geregeld voor, door het enorme aantal sterren in alleen al ons Melkwegstelsel. De uiteindelijke crash van twee opgebrande sterren levert een korte gammaflits (SGRB) op en is één van de gewelddadigste verschijnselen in het universum, die volgens bepaalde theorieën verantwoordelijk is voor het ontstaan van zware elementen als goud en uranium[1]. In onderstaande video een met een supercomputer gemaakte simulatie van een dergelijke botsing.

Bronnen:

1. Earth’s gold came from colliding stars, Harvard News(2013)

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.

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

‘Nieuw deeltje gevormd in witte dwergsterren’

Al jaren is het een raadsel waarom de oudste heliumdwergen uit het zicht verdwijnen. Een exotisch kwantumproces verklaart mogelijk waarom. En nog een bonus: dit is ook de eerste waarneming van het spookachtige Higgsmechanisme in actie, als dit klopt.

Witte heliumdwergen vormen zich als van een klein sterretje de buitenste gaslagen worden gestript.

Witte-dwergsterren zijn de uitgebrande resten van sterren, waarin alle fusiebrandstof al is omgezet. De meeste witte dwergsterren bestaan uit witgloeiende koolstof en zuurstof. De lichtste variant, met een kern van helium, ontstaat als de kleine M-sterren, rode dwergen, uitgebrand zijn. Dit type sterren is te licht om helium te kunnen omzetten in koolstof en zuurstof. Omdat een kleine ster een veel grotere levensduur heeft dan een grote ster (tot 1000 miljard jaar, ter vergelijking: ons heelal is ‘maar’ 13,5 miljard jaar oud), zijn de weinige heliumdwergen die bekend zijn, het gevolg van het opslokken van hun buitenste gaslagen door een begeleider.

Afkoelen duurt langer dan het heelal oud is
Witte dwergen produceren geen energie meer, dus koelen uiteindelijk af tot zwarte dwergen die zo koud zijn dat ze geen warmte of licht meer uitzenden. Dit afkoelen duurt echter zeer  lang[1], rond de tienduizend miljard jaar, waardoor er op dit moment nog geen zwarte dwergen zijn gevormd. Althans, denken astronomen, want de koelste witte dwerg ooit waargenomen blijkt nog een temperatuur te hebben van plm. 3600 graden Celsius (rond de 3900 K). De precieze snelheid waarmee witte dwergen hangt af van hun structuur en is vrij ingewikkeld [1], maar wordt op zich goed begrepen. Naar nu blijkt, blijken heliumdwergen zich echter onverwacht afwijkend te gedragen.

Heliumdwergen koelen veel sneller af… waarom?
Tot nu toe wordt gedacht dat helium onder hoge druk (net als andere stoffen) een elektronenvloeistof vormt. Atomen worden zo dicht op elkaar geperst dat elektronen niet meer verbonden zijn aan één atoom. Dit is een vorm van gedegenereerde materie. Als de druk nog verder toeneemt, vormen de atoomkernen een soort kristal in de zee van elektronen. De eigenschappen van dit heliumkristal bepalen hoe snel de ster afkoelt. Hoe lager de warmtecapaciteit van het kristal, des te minder hitte kan het bergen en hoe sneller het afkoelt.

Wat bepaalt de warmtecapaciteit?
Die warmtecapaciteit hangt, zoals de warmtecapaciteit van alles, af van het aantal vrijheidsgraden van de atoomkernen en elektronen in het kristal. De warmtecapaciteit van water is bijvoorbeeld zo enorm groot omdat watermoleculen op heel veel verschillende manieren intern en extern kunnen bewegen, waardoor ze veel energie op kunnen slaan. Zo kunnen de waterstof- en zuurstofatomen onderling bewegen, het molecuul kan draaien, de waterstofbruggen, waarmee watermoleculen elkaar aantrekken, geven nog een extra aantal vrijheidsgraden. Kortom: verandert de structuur van het ‘atoomkernkristal’, dan heeft dat enorme gevolgen voor de hoeveelheid warmte die de witte dwerg op kan slaan.

In feite werkt magnetische koeling ook zo. Als het magnetisch veld aan wordt geschakeld, kunnen de atomen in het materiaal veel minder verschillende kanten op trillen. Omdat de energie behouden blijft, wordt deze verdeeld over minder trillingen. De temperatuur neemt daardoor enorm toe en het materiaal dumpt zijn warmte. Als het veld weer uit wordt geschakeld, is het materiaal opeens ijskoud. Immers, de warmte wordt nu opeens uitgesmeerd over meer trillingsmogelijkheden.

Quasideeltjes in een kwantumvloeistof
Naar nu blijkt, kan het helium ook een soort Bose-Einstein condensaat vormen. Dat betekent dat de atoomkernen hun identiteit verliezen en dat het verandert in een soort vloeistof. Astrofysicus Paulo Bedaque van de universiteit van Maryland in College Park en enkele collega’s onderzoeken hoe de aanwezigheid van een dergelijk condensaat de warmtecapaciteit beïnvloedt[2]. Naar nu blijkt, kunnen heliumcondensaten extreem veel verschillende quasideeltjes vormen. Deze quasideeltjes bestaan niet werkelijk, maar zijn in feite trillingen in het condensaat. In de bekende Bose-Einsteincondensaten, die zich vormen in extreem koude stoffen, is het gedrag van quasideeltjes al goed bekend. Deze trillingen transporteren snel hitte uit het binnenste van de ster.

Bedaque en zijn groep hebben nu een quasideeltje gevonden dat de warmtecapaciteit van de kwantumvloeistof met factor honderd verkleint. De gevolgen laten zich raden: deze witte dwergsterren koelen veel sneller af. Ze denken zelfs dat deze snelle afkoeling meetbaar is.

Bewijs voor het Higgsmechanisme gevonden?
Al jarenlang breken astrofysici zich tevergeefs het hoofd waarom heliumdwergen zo snel afkoelen. Enkele jaren geleden vonden astronomen een groep heliumdwergen in een bolvormige sterrenhoop enkele duizenden lichtjaren van hier. Als de temperatuur en helderheid van witte dwergen tegen elkaar worden afgezet vinden astronomen een vloeiende lijn tot de witte dwergen niet meer zichtbaar zijn met de telescoop. Met deze heliumdwergen bleek wat vreemds aan de hand. De lijn eindigde ruim boven de detectielimiet van de Hubble-ruimtetelescoop. Om een bepaalde reden verdwenen de zwakste, koelste en oudste sterren plotsklaps uit beeld. Zou de vorming van een Bose-Einstein kwantumvloeistof, dat plaatsvindt onder een bepaalde temperatuur, inderdaad verantwoordelijk zijn voor het snelle afkoelen van witte heliumdwergen?  Dit zou inderdaad verklaren waarom de dwergen plotseling uit het zicht verdwijnen.

Ook interessant is dat in hun model gebruik wordt gemaakt van het Higgs-mechanisme om fotonen magnetische massa te geven. Dit zou dan het eerste geval zijn waarin het Higgsmechanisme daadwerkelijk verantwoordelijk is voor een waargenomen natuurkundig proces.

Bronnen
1. Greg Thompson, The Physics of White Dwarf Cooling, Universiteit van Toledo (2007)
2. Paulo Bedaque et al., Nuclear Condensate And Helium White Dwarfs, ArXiv (2011)

Zwarte gaten oorzaak vorming eerste melkwegstelsels

Het is een kip of het ei probleem. Wat was er nou eerder, het melkwegstelsel of het superzware zwarte gat in het midden? Voor beide zijn er goede argumenten. Waarnemingen van zeer vroege melkwegstelsels hebben het pleit nu beslecht. Waarmee het volgende raadsel er om schreeuwt opgelost te worden…

Deze melkwegstelsels waren 'slechts' enkele miljarden jaren oud toen hun licht ze verliet. Ze blijken al over enorme centrale zwarte gaten te beschikken. Het is duidelijk: de zwarte gaten waren er het eerst. Maar waar kwamen die vandaan?

Zwart gat veroorzaakt melkwegstelsel
Elk bekend melkwegstelsel heeft een zwaar zwart gat in het centrum, dat fel opflikkert als het sterren of kosmische gaswolken opslokt. Zwarte gaten en melkwegstelsels hebben dus iets met elkaar te maken. Waarschijnlijk veroorzaakt het ene verschijnsel het andere. Maar waarmee begon het? Volgens sommige theorieën zorgt de ophoping van materie in het centrum van een melkwegstelsel er voor dat zich na verloop van tijd zoveel massa ophoopt, dat zich een zwart gat vormt. Volgens andere theorieën is het precies andersom en zijn melkwegstelsels als het ware de accretieschijven van de zwarte gaten in het centrum.

Het pleit lijkt nu beslecht. Er zijn nu vroege melkwegstelsels ontdekt uit het prille begin van het heelal, tien miljard jaar geleden. Het heelal was toen een kwart zo oud als nu. In deze melkwegstelsels is het zwarte gat in het centrum in verhouding tot de rest van het melkwegstelsel disproportioneel groot. Het melkwegstelsel is zo klein dat het niet de materie had kunnen leveren om het zwarte gat te vormen. De conclusie is onontkoombaar. Het zwarte gat is het kosmische ei, waar de kip van het melkwegstelsel uit tevoorschijn kwam.

Mini-melkwegstelsels
Geen erg grote kip trouwens. In die tijd waren melkwegstelsels nog heel klein, ongeveer zo groot als de Magalhaese Wolken, twee dwergstelsels die nu door ons melkwegstelsel worden opgeslokt. De studie waarop hoofdauteur Trump zich heeft toegelegd is onderdeel van CANDELS, de Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey en gebruikte een krachtig nieuw instrument op de Hubble Space Telescope. De “slitless grism” (vrij vertaald: een combinatie van een prisma met een raster, waarmee een breed beeld is waar te nemen) op de W3FC infraroodcamera van Hubble verschafte gedetailleerde informatie over verschillende golflengtes licht afkomstig van deze melkwegstelsels.

Waar komen de zwarte gaten vandaan?
Omdat de Hubble ruimtetelescoop onovertroffen nauwkeurig is, lukte het de astronomen om licht van zowel het midden (het zwarte gat) als de buitenkant (de schijf) te verzamelen. Ze ontdekten iets verrassends: de onmiskenbare vingerafdruk van een centraal zwart gat. Dit is de eerste keer dat dit ontdekt is. Tot dan toe zijn alleen zwarte gaten in grote stelsels  (zoals dat van ons) ontdekt. Wat het volgende raadsel oplevert. Namelijk: waar komen die enorme zwarte gaten vandaan, en waarom vinden we ze niet in dwergstelsels in de buurt? Volgens de standaard kosmologische inflatiemodellen was de kosmos erg effen na de inflatiefase. Door welk merkwaardig proces zijn ze gevormd?

Wat is er met de zwarte gaten in dwergstelsels anno nu gebeurd?
Een mogelijkheid is dat deze melkwegstelsels de voorgangers zijn van de tegenwoordige zware melkwegstelsels zoals onze eigen Melkweg en buurstelsel Andromeda, aldus Trump. Volgens zijn collega Faber roept dit extra vragen op. Om zich anno nu te ontwikkelen tot grote stelsels, hadden de ministelsels veel sneller moeten groeien dan de huidige modellen toelaten. Als het dwergstelsels blijven, zouden de dwergstelsels van nu ook centrale zwarte gaten moeten hebben. Faber denkt daarom dat er zich een grote verzameling kleinere zwarte gaten in dwergstelsels bevindt, die nog niemand waar heeft genomen. Deze voorspelling is te testen. Dwergstelsels genoeg, bijvoorbeeld in de buurt van ons eigen melkwegstelsel. Wel zal dit lastig worden. Is dat dwergstelsel zeer arm in gas, dan valt er geen gas in het zwarte gat en geeft dat zwarte gat nauwelijks straling af.

Vraatzucht zwart gat leidt tot stervorming
Trump nam waar dat de dwergstelsels ongeveer tien keer zo snel sterren vormen als de Melkweg nu doet. Hij acht het mogelijk dat er een verband is tussen stervorming en actieve melkwegkernen (bijvoorbeeld quasars). Als er gas beschikbaar is om nieuwe sterren te vormen, kan dat gas ook het zwarte gat voeden, aldus hem. Verder bewijs voor het bestaan van zwarte gaten werd verkregen uit röntgendata van een andere ruimtetelescoop, Chandra. Beide waarnemingen richtten zich op 28 melkwegstelsels in een klein stukje hemel, het Hubble Ultra Deep Field. De data van alle 28 dwergstelsels werd samengevoegd om zo toch nog een statistisch significant resultaat te krijgen. Deze techniek wil het team later ook voor andere onderzoeken gebruiken. Waarnemingstijd op deze ruimtetelescopen is uiterst schaars en gewild. Naast Trump en Faber deden er daarom 27 anderen mee aan dit onderzoek.

Bron
Small distant galaxies host supermassive black holes, University of California (Santa Cruz), 2011
Jonathan H. Trump et al., A CANDELS WFC3 Grism Study of Emission-Line Galaxies at z~2: A Mix of Nuclear Activity and Low-Metallicity Star Formation, ArXiv.org (2011), (ook gepubliceerd in Astrophysical Letters)

Bevestigd: kosmologisch principe klopt niet; Universum niet volmaakt rond

Een van de fundamenten van de moderne astrofysica is het kosmologische principe: het denkbeeld dat waarnemers op aarde ongeveer hetzelfde op grote schaal waarnemen als waarnemers op andere plekken in het universum. Inderdaad zijn er veel waarnemingen die dit idee ondersteunen Zo ziet het heelal er min of meer hetzelfde uit in alle richtingen, hoe we ook kijken. Maar misschien keken we helemaal niet goed, althans: stelden we niet de juiste vragen, blijkt nu.

Supernova's type 1a ontstaan omdat een (uitgebrande) witte dwergster gas van een nog niet uitgebrande begeleider-ster opslokt tot de kritische massa wordt overschreden. Deze ontploffing heeft een precies bekende hoeveelheid grootte. Daardoor kan je aan de lichtintensiteit en de roodverschuiving precies bepalen hoever het melkwegstelsel waar de supernova in voorkomt, van ons afstaat.

Supernova als kosmische meetkaars
De laatste jaren, nu er meer en scherpere waarnemingen binnenkomen dan ooit tevoren, komen er scheurtjes in dit beeld. Al eerder schreven we we over.  Sommige kosmologen wijzen op het gedrag van type 1a supernova’s, ontploffende witte dwergsterren (wat weer witgloeiende, uitgebrande resten van sterren zijn, zo groot als de aarde maar met de massa van een ster).

Bij nova’s lekt er een kleinere hoeveelheid waterstofgas van een buurster op een witte dwerg, tot de kritische waarde bereikt is voor kernfusie van helium en er een enorme explosie komt: de heliumflits, die de nova oplevert. Bij een supernova type 1a ontploft niet alleen de gasschil, maar de complete witte dwergster in een allesverwoestende thermonucleaire ontploffing, een waterstofbom zo groot als een kleine ster. Vergeet niet: alles wat lichter is dan ijzer kan nog fuseren en een witte dwergster bestaat uit zuurstof en magnesium. En dat gebeurt dan ook als de grens overschreden wordt. In een paar seconden. Geloof me, dan wil je echt op heel veilige afstand zitten, honderden lichtjaren tenminste. Of je moet kicken op bruine smog en regens van salpeterzuur. Deze ontploffingen zijn zo fel dat de complete ster verdampt. Gedurende enige tijd wordt de complete melkweg waar ze deel van uitmaken overstraald en zijn dus erg bruikbaar om afstandsbepalingen te doen. Gelukkig zijn deze ontploffingen nu heel zeldzaam, maar miljarden jaren geleden kwamen ze veel vaker voor.

Heelal zet onregelmatig uit
Deze verre explosies lijken niet alleen van ons af te bewegen, maar zelfs steeds sneller van elkaar af te bewegen. Het opvallende is dat deze versnelling niet in alle richtingen gelijk is, maar in sommige richtingen veel sneller gaat dan in andere. Van ons beeld van een mooi symmetrisch heelal blijft dus steeds minder over. Maar klopt de statistische analyse wel? Al eerder is bij heel veel wetenschappelijke takken van sport gebleken dat bij een grotere steekproef ‘significante’ effecten als sneeuw voor de zon verdwijnen. Denk aan het Higgsdeeltje waar steeds sporen van op zouden duiken waar achteraf niets van blijkt te kloppen. Daarom hebben Rong-Gen Cai en Zhong-Liang Tuo van het Key Laboratory of Frontiers in Theoretical Physics van de Chinese Academy of Sciences in Beijing de data van 557 supernovae door het hele universum heronderzocht en de getallen door een programma gehaald.

Nu eindelijk hard bewijs
Deze keer klopt de statistiek wel. Er is inderdaad een eenduidig resultaat. Het heelal blijkt in een bepaalde richting veel meer uit te zetten dan in andere richtingen. De uitzetting in het snelst richting in het sterrenbeeld Vulpecula (Vos) op het noordelijk halfrond. Dit komt overeen met andere analyses, waaruit al eerder bleek dat het heelal een voorkeursas heeft in de kosmische achtergrondstraling. Als het heelal in een bepaalde richting meer uitzet, zal het in die richting ‘koeler’ lijken. Kortom: het kosmologisch principe, en daarmee heel wat kosmologische  theorietjes over een symmetrisch heelal en een scalair uitzettingsveld kunnen nu op de schroothoop of moeten drastisch herzien worden.

En er komt een spannende uitdaging te liggen. Waarom heeft het Universum een uitzettingsas en hoe modelleren we dat? Een pittige klus. Wat zijn jullie ideeën?

Bronnen:
Rong-Gen Cai en Zhong-Liang Tuo, Direction Dependence Of The Acceleration In Type Ia Supernovae, ArXiv (2011)

Wordt Betelgeuze een supernova?

Een ster zo helder als de volle maan gedurende zeker een jaar. Dit spectaculaire vooruitzicht biedt de rode reuzenster Betelgeuze, die op ontploffen staat. De afgelopen vijftien jaar gebeurde er namelijk iets heel vreemds…

Betelgeuze: meer dan duizend keer zo groot als de zon
Sterren zijn er in allerlei groottes. De kleinste sterren waarin waterstof nog tot helium kan fuseren, rode dwergsterretjes, zijn ongeveer 0,05 zonsmassa groot en gaan zeer lang mee: duizenden miljarden jaren. Aan de andere kant van het spectrum staan de monsterachtig grote Wolf-Rayetsterren van boven de twintig zonsmassa’s, die na hooguit enkele miljoenen jaren met een vernietigende explosie ontploffen: een hypernova. Betelgeuze, de helderste ster in het sterrenbeeld Orion en daarom onder sterrenkundigen bekend als Alpha Orionis, is een ster die tien keer zo zwaar is als de zon. De ster staat op ongeveer vijfhonderd tot achthonderd lichtjaar afstand. Stond Betelgeuze op de plaats van de zon, dan zou de ster tot de omloopbaan van Jupiter reiken.  Betelgeuze is dan ook een van de weinige sterren die zo groot is dat deze in middelgrote telescopen als een schijfje te zien is. Overigens is het gas van Betelgeuze zeer ijl. De ster bevat iets meer dan tien zonsmassa’s aan gas in een zeer groot volume.

Betelgeuze staat op ontploffen. Astronomen zijn er echter nog niet achter of dat in 2011 of pas na het jaar 100 000 is...

‘Reuzenster krimpt’
Uit astronomische waarnemingen blijkt dat Betelgeuze de laatste tien jaar tien tot vijftien procent in grootte is gekrompen. Volgens sommige astronomen gaat het hier om een periodiek verschijnsel. Andere astronomen denken dat de kernfusiereacties in de kern tijdelijk aan het stilvallen zijn tot de ster is overschakeld naar een zwaardere kernbrandstof – die veel sneller opbrandt door de hogere temperatuur. Betelgeuze is een rode reus. Dat betekent dat de waterstof al uitgeput is en de ster nu helium of een nog zwaarder element verstookt. We weten nog niet waar precies in deze cyclus Betelgeuze zich bevindt, omdat de buitenste laag, die we als enige kunnen zien, nog uit waterstof bestaat. Is dat element koolstof, zuurstof of neon, dan zou het einde wel eens snel kunnen komen. Iedere ster is een evenwicht tussen de stralingsdruk en de zwaartekracht. Valt de stralingdruk weg, dan stort de ster ineen tot er een nieuwe kernreactie op gang komt of een supernova ontstaat. Voor dit laatste is Betelgeuze zwaar genoeg.

Wat gebeurt er als Betelgeuze in een supernova verandert?
Als alle brandstof is opgestookt, begint de ster door de zwaartekracht ineen te storten. In tegenstelling tot een planeet, die ongestoord miljarden jaren zijn baantjes blijft draaien, botsen de gasdeeltjes in de ster voortdurend met elkaar en zendt de ster straling uit waardoor deze krimpt. Het gevolg is dat de ster snel ineenstort, waardoor de temperaturen extreem hoog oplopen – de vrijkomende zwaartekrachtsenergie – de buitenste lagen voor een deel in één klap opbranden en er een zware explosie ontstaat: de supernova. De felle kernreacties in de ster – er komen veel kortlevende radioactieve isotopen vrij – houden lang aan waardoor de ster gedurende een jaar zo helder is als de volle maan.

Betelgeuze kan over enkele maanden exploderen of pas over honderdduizend jaar. We weten het niet. Wel is de kans vrijwel één dat tussen nu en honderdduizend jaar in de toekomst de ster een supernova wordt. Gelukkig staat Betelgeuze ver van ons af. Had Betelgeuze dichter dan twintig lichtjaar bij ons gestaan, dan had de sterke gammastraling die dan vrijkomt, onze atmosfeer verandert in een verstikkende bruine smog van stikstofoxiden. Nu zullen we er weinig meer van merken dan een spectaculair gezicht in de nacht.

Lees ook: Kosmische catastrofe in de maak? en Supernovae en hypernovae: kosmische waterstofbommen

Bron
Betelgeuse about to blow? – Nature Blog (2009)

Kannibalisme: Melkweg slokte tien miljoen jaar geleden melkweg met zwart gat op

De Melkweg ziet eruit als een mooie, kalme schijf van sterren, maar schijn bedriegt. In het hart van de Melkweg bevindt zich een superzwaar zwart gat. Naar nu blijkt, moet dit zwarte gat ongeveer tien miljoen jaar geleden de kern van een klein melkwegstelsel opgeslokt hebben. Er zijn inderdaad sporen van recent kannibalisme.

Forensisch bewijs

Zijn deze raadselachtige Fermibellen de doodskreet van een ander melkwegstelsel? Bron: NASA

Om te beginnen is er de recente ontdekking van twee reusachtige bellen gammastraling uitzendend gas, ongeveer 60 000 lichtjaar ten noorden en ten zuiden van het galactisch centrum. Niemand weet tot nu toe wat deze enorme “Fermi Bellen”, veroorzaakte. Ze hebben echter vel weg van het type jets dat door actieve melkwegkernen wordt uitgestoten.

Dan is er een raadselachtige heftige stervorm,ing aan de gang vlak bij het zwarte gat in het centrum van de Melkweg. In theorie moet de enorme zwaartekracht gaswolken uit elkaar trekken, maar in werkelijkheid bevinden zich in het centrum van de Melkweg drie enorme gaswolken waarin tienduizenden sterren worden geboren. En er is nog wat raars aan de hand: in het centrum zijn er nauwelijks oude sterren. Vreemd, want elders in de Melkweg is het daarvan vergeven.

Verder is er een mysterieuze fluorescerende gloed van ijzerionen in een gaswolk vlakbij ‘ons’ zwarte gat. Vrijwel zeker een echo van felle gammastraling die enkele honderden jaren geleden – gezien vanaf de aarde – vrijkwam. Enkele eeuwen geleden was het centrum dus veel actiever dan nu.

Galactisch drama
Meagan Lang van Vanderbilt University in Nashville, Tennessee en een aantal collega’s zeggen dat ze de verklaring hebben: galactisch kannibalisme. Een klein dwergstelsel is opgeslokt door de melkweg, tegelijkertijd met het centrale zwarte gat van tienduizend zonsmassa’s. Groot, maar slechts een duizendste van de grootte van ons “eigen” zwarte gat. Bij zijn noodlottige val slingerde dit zwarte gat de meeste oudere sterren uit de buurt van ‘ons’ zwarte gat.  Het meeste gas en stof werd opgeslokt door ons zwarte gat – waardoor er de twee Fermi-bellen van gammastraling ontstonden. De rest van het stof werd een turbulente draaikolk, perfecte omstandigheden voor een geboortegolf van sterren.

Volgens Lang en collega’s moet de samenvoeging miljarden jaren geleden al begonnen zijn. De slotakte, waarbij het andere zwarte gat uiteindelijk werd opgeslokt door ons eigen, vond ongeveer tien miljoen jaar geleden plaats. Dit met werkelijk een enorm spektakel hebben opgeleverd voor radio-astronomen en dergelijke. De theorie is nog niet geheel bewezen. Er zijn ook andere verklaringen denkbaar. Al is deze verklaring behoorlijk  overtuigend.

Bron:
Lang et al., Can A Satellite Galaxy Merger Explain The Active Past Of The Galactic Center? – Arxiv.org [2011]

Bewoonbare zone Melkweg groter dan gedacht

Niet alleen de afstand van een planeet tot een ster, maar ook de plaats van de ster in de Melkweg moet aan strenge voorwaarden voldoen om leven mogelijk te maken. Ongeveer anderhalf procent van de Melkweg is in staat complex leven te onderhouden. Wat maakt onze omgeving zo uniek?

Twee Goudlokjeszones
Astrobiologen hebben lang discussie gevoerd over het idee dat planeten alleen in staat zijn leven te ondersteunen als vloeibaar water op het oppervlak van de planeet bestaat. Het is duidelijk dat dit aleen lukt als de temperatuur van de planeet op die van de aarde lijkt. Dat op zijn beurt stelt weer eisen aan de afstand van de planeet tot zijn ster. De zoektocht naar planeten in deze zogeheten Goudlokjeszone (of bewoonbare zone) is nu met de lancering van exoplanetensatelliet Kepler in een stroomversnelling geraakt.  Echter: de ontwikkeling van leven stelt nog een tweede voorwaarde. Er zijn namelijk maar een beperkt aantal sterren, geconcentreerd in een klein deel van de Melkweg, waaromheen zich aardachtige planeten kunnen vormen.

Volgens het standaardmodel op dit moment bevinden deze sterren met aardachtige planeten in een torus (donutachtige ring) met een dikte van enkele duizenden lichtjaar rond het centrum van de Melkweg. Bewoonbare planeten vormen zich niet snel dicht bij het galactische centrum of er ver vandaan.

Leven blijkt in veel groter gebied mogelijk

Een supernova (rechts) staat op het punt een einde te maken aan het leven op een planeet in het centrum van de Melkweg.

Michael Gowanlock van de Universiteit van Hawaii in Honolulu en enkele van zijn collega’s, komen nu echter met een nieuwe kaart van de bewoonbare zone in de Melkweg welke afwijkt van dit standaardmodel. De bewoonbare zone van de Melkweg is veel complexer dan een simpele torus.

De nieuwe kaart gebruikt de laatste ontdekkingen over exoplaneten om de bewoonbare zone in de Melkweg vast te stellen. In het bijzonder hebben astronomen kort geleden vastgesteld dat exoplaneten zich veel sneller rond sterren met veel zware atomen vormen, dan rond sterren die vrijwel alleen uit de twee lichtste elementen, waterstof en helium, bestaan: een eigenschap die metalliciteit wordt genoemd. De eerste sterren in het heelal, populatie-III, bestonden geheel uit de tijdens de Big Bang gevormde waterstof en helium (en een spoortje lithium), maar genereerden zwaardere elementen toen ze uitgeput raakten en explodeerden als supernova. De volgende generatie (populatie-II) sterren vormde zich uit de overblijfselen van deze supernova’s en bevatten zo zwaardere elementen. Supernova’s vormen zich vooral in het centrum van de Melkweg, waar de sterren dicht opeengepakt zijn. Helaas hebben supernova’s de onhebbelijke eigenschap alle leven tot op enkele lichtjaren afstand te steriliseren. Het vernietigende stralingsbombardement van een supernova laat weinig over van de atmosfeer van een aardachtige planeet. Zonder atmosfeer zijn er maar weinig mogelijkheden voor complex leven om zich te ontwikkelen. Teveel supernova’s veranderen aardachtige planeten dus in levenloze rotsballen. Kortom: ook teveel supernova’s betekent: geen leven.

Leven toch mogelijk in centrum Melkweg
De vraag die Gowanlock en zijn mede-auteurs zich stellen is hoe deze processen zich uitbalanceren: de snelheid van planeetvorming, het aantal supernova’s en de tijd die nodig is voor complex leven om zich te ontwikkelen, uitgaande van ons geval-aarde. Hun antwoord: bewoonbare planeten in het centrum van de Melkweg komen zo veel voor dat zelfs als veel van hen worden vernietigd door supernova’s, er toch nog zeer veel overblijven om complex leven zoals wij dat kennen te ontwikkelen. Hun model suggereert dat 2,7 procent van alle sterren in de kern van de Melkweg bewoonbare planeten kan hebben. En ook verder weg kunnen zich bewoonbare planeten vormen, naar schatting van Gowanlock en collega’s een kwart procent.

Dat is veel meer dan wat het standaard torusmodel voorspelt. Dit betekent dat een significant deel van alle sterren verspreid door de gehele Melkweg potentieel interessant zijn voor exoplanetenjagers. “We voorspellen dat plm. 1,2% van alle sterren een planeet herbergt die ooit in zijn bestaan in staat was om complex leven te ondersteunen”, aldus Gowanlock en zijn collega’s.

Tidally locked

Exobiologen bedachten in opdracht van NGC Aurelia, een bewoonbare planeet die om een rode dwergster draait. Op de plek waar de zonnestraling maximaal is, bevindt zich een eeuwige reusachtige orkaan.

Helaas is er een probleempje. Ongeveer driekwart van deze bewoonbare planeten staat zo dicht bij hun ster dat ze altijd hetzelfde halfrond naar hun ster keren. Dit kan een probleem vormen. Astrobiologen debatteren fel over de bewoonbaarheid van planeten die altijd hetzelfde halfrond naar hun moederster wenden.

Een exoplaneet met deze eigenschap is bijvoorbeeld de super-aarde rond Gliese 581, die dicht genoeg bij het rode-dwergsterretje staat om genoeg opgewarmd te worden voor leven, maar daarom waarschijnlijk door de enorme zwaartekrachtsinvloed  ook (net als de Maan  richting de aarde) hetzelfde halfrond naar de zon gekeerd houdt. Eén halfrond van deze planeet zou worden verschroeid door de zon terwijl de andere helft een eeuwige ijsnacht kent.

Science fiction schrijvers hebben beschreven hoe het leven in een dergelijke ringvormige bewoonbare zone zou zijn: een smalle strook land die begrensd wordt door vuur en ijs. Misschien dat de planeet een beetje wiebelt (libratie) net als de Maan. Naar we nu weten is dit beeld wat te naief, maar creatieve exoplaneetdeskundigen kwamen met andere modellen, zoals de verre wereld Aurelia en de Kosmische Oogbal.

Bronnen
1. Gowanlock et al., A Model of Habitability Within the Milky Way Galaxy (2011)
2. Astronomers Publish New Map of Galactic Habitable Zone, MIT Technology Review Arxiv Blog (2011)

Mysterieuze invloed schakelt melkwegstelsels direct uit

Vele miljarden jaren geleden vormde ons melkwegstelsel veel sterren. Nu nauwelijks meer. De overgang moet heel snel zijn gegaan, blijkt nu. Wat is de mysterieuze invloed die melkwegstelsels zo snel het zwijgen oplegt? Zijn we ten dode opgeschreven of is ons melkwegstelsel in staat tot een verjongingskuur?

Bij wetenschappers is al een aantal jaren bekend dat sterrenstelsels in het nabije heelal veel sterren vormen of juist niet. Maar een nieuw onderzoek van het verre heelal laat zien dat zelfs heel jonge sterrenstelsels, tot 12 miljard lichtjaar, hetzij sterren vormen hetzij in slaap zijn, wat betekent dat sterrenstelsels zich op deze manier hebben gedragen voor meer dan 85 procent van de geschiedenis van het universum.

Onze naaste grote buur, het Andromedastelsel, vormt net als de Melkweg nauwelijks sterren meer. Andere melkwegstelsels zijn hyperactief. Waarom?

“Het feit dat we zulke jonge sterrenstelsels in het verre heelal die al ophielden sterren te vormen is opmerkelijk,” zegt Kate Whitaker, een Yale University afgestudeerde student en hoofdauteur van het artikel dat is gepubliceerd in de online editie van het Astrophysical Journal op 20 juni.

Om te bepalen of de sterrenstelsels in slaap waren of wakker, verzonnen Whitaker en haar collega’s een nieuwe set filters, die elk gevoelig zijn voor verschillende golflengten van het licht. Deze bevestigden ze op de 4-meter telescoop Kitt Peak in Arizona. Ze bracht 75 nachten door met turen in in het verre heelal en het verzamelen van het licht van 40.000 sterrenstelsels, variërend in afstand van het nabije heelal tot 12 miljard lichtjaren van ons verwijderd. Het resulterende onderzoek is het grondigste en meest complete ooit gedaan op die afstanden en golflengten van het licht.

Het team kwam er achter dat de sterrenstelsels ‘duaal gedrag’ vertoonden op basia van de kleur van het licht die ze uitzenden. Sterrenstelsels met veel stervorming lijken blauwer, omdat ze veel felle, kortlevende blauwe reuzensterren kennen.  In passieve slaperige sterrenstelsels zijn deze al lang geleden uitgebrand, waardoor het licht van de langlevende kleine sterren gaat overheersen en het licht naar de rode kant van het spectrum neigt.

De onderzoekers vonden veel meer actieve sterrenstelsels dan slapende, wat overeenkomt met het huidige denken dat sterrenstelsels actief met stervorming begonnen voordat ze uiteindelijk af gingen sluiten.

“We hebben niet veel sterrenstelsels in de tussenstaat aangetroffen”, zegt Pieter van Dokkum, een Yale astronoom en een andere auteur van het artikel. “Deze ontdekking laat zien hoe snel sterrenstelsels van de ene toestand naar de andere springen, van de actieve vorming van sterren tot het stopzetten van stervorming.”

Of de slapende sterrenstelsels volledig zijn afgesloten, blijft een open vraag, aldus Whitaker. Echter, de nieuwe studie suggereert dat de actieve sterrenstelsels sterren vormen met een snelheid, ongeveer 50 keer groter dan hun slaperige tegenhangers.

“Vervolgens hopen we  te bepalen of sterrenstelsels heen en weer gaan tussen waken en slapen of dat ze in slaap vallen en nooit meer wakker worden”, aldus Van Dokkum. “We zijn ook geïnteresseerd in hoe lang het duurt tot sterrenstelsels in slaap vallen, en of we één kunnen betrappen terwijl het inslaapt.”

Maar… misschien hebben we de boosdoener al te pakken….

Bronnen
1. Astronomers discover that galaxies are either asleep or awake, Yale University press. comm., (2011)
2. Whitaker, K.  et al., THE NEWFIRM MEDIUM-BAND SURVEY: PHOTOMETRIC CATALOGS, REDSHIFTS AND THE BIMODAL
COLOR DISTRIBUTION OF GALAXIES OUT TO Z ∼ 3, Arxiv.org

Dutch