Naar de content

Rode reuzen zijn tóch oud

NASA/JPL-Caltech/Harvard-Smithsonian CfA

Vier jaar geleden ontdekten astronomen een aantal sterren die oud en jong tegelijkertijd leken te zijn, afhankelijk van de methode die gebruikt werd om hun leeftijd vast te stellen. Die schijnbare tegenstelling is nu doorbroken: de rode reuzen zijn oud. Zij fuseerden met andere sterren, en komen zo aan hun tegenstrijdige eigenschappen.

9 juli 2019

Een ster zoals onze eigen zon verandert aan het einde van zijn leven in een rode reus. De waterstof in de kern is opgebrand, dit deel krimpt en de buitenste schillen zetten uit. Hierbij koelen de buitenste lagen af, zodat de ster rood van kleur wordt. De verschillende levensfases van een ster duren miljoenen of zelfs miljarden jaren, en niet elke fase neemt bij iedere ster evenveel tijd in beslag. Daarom wordt de leeftijd van sterren gemeten aan de hand van de bouwstoffen en de massa, die bepaald worden aan de hand van het licht dat de sterren uitstralen.

In 2015 ontdekten astronomen rode reuzen die zowel oud als jong leken te zijn. Als de leeftijd van de sterren werd berekend aan de hand van hun bouwstoffen leken ze oud te zijn, maar de massa van de sterren wees juist op een jonge leeftijd. Onderzoekers van het Max Planck Institute for solar system research, Aarhus University en Ohio State University bundelden hun krachten om het vraagstuk op te lossen.

Bij de oerknal werden alleen de lichte elementen waterstof en helium gevormd, en misschien een beetje lithium. Alle zwaardere elementen zijn in een ster geproduceerd, en kwamen pas vrij na het sterven van de ster.

 NASA Goddard

Jong en oud

De bouwstoffen van de rode reuzen wezen erop dat ze meer dan tien miljard jaar oud zouden moeten zijn. De sterren bevatten relatief weinig ijzer. Omdat ijzer relatief traag werd gevormd tijdens de galactische evolutie, bevatten oudere sterren er relatief minder van dan jonge sterren. Oude sterren bevatten juist meer magnesium, silicium en calcium. Uit welke bouwstoffen een ster bestaat kan worden afgeleid uit het licht. Het lichtspectrum verraadt de chemische samenstelling van het oppervlak van de ster.

Een andere methode om de leeftijd van de rode reuzen te meten, is door de massa te bepalen aan de hand van schommelingen in de lichtsterkte van de ster. Sterren met een grote massa zijn heter aan de binnenkant en hun brandstof brandt sneller. Zij leven daardoor korter dan sterren met een lichtere massa. De rode reuzen bleken flink zwaar te zijn, en daarom werd hun leeftijd op minder dan zes miljard jaar geschat. Dat verschilt vier miljard jaar met de leeftijdsschatting op basis van het ijzergehalte. De rode reuzen leken wel jong en oud tegelijkertijd te zijn.

Om deze leeftijdsparadox op te lossen, onderzocht Saskia Hekker van het Max Planck Institute for solar system research en Aarhus University samen met Jennifer Johnson van Ohio State University een aantal rode reuzen. Zij ontdekten dat de grote massa van de sterren het resultaat is van samensmeltingen met andere sterren. Hun massa zegt daardoor niets over hun leeftijd. Het ijzergehalte lijkt wel een goede meetlat te zijn: de sterren zijn dus oud.

Turbulente stromingen

Hekker maakte deel uit van beide teams die de rode reuzen vier jaar geleden ontdekten, één onder leiding van het Max Planck Institute for Astronomy en de ander door het Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam. “We hebben gekeken of we informatie konden halen uit de andere chemische elementen die we konden meten aan het oppervlak van de sterren”, aldus Hekker. “Dat deze sterren redelijk rijk waren in magnesium, silicium en calcium ten opzichte van het zwaardere element ijzer, wisten we al. We zijn op zoek gegaan naar iets anders dat ons verder kon leiden. En toen kwamen we uit bij koolstof, stikstof en zuurstof.” De verhouding van deze bouwstoffen verandert door fusiereacties in de kern van de ster, waar wij ze in principe niet kunnen waarnemen. Maar bij deze rode reuzen komen ze aan het oppervlak.

De sterren waar de wetenschappers naar keken hebben aan de buitenkant een hele grote turbulente laag. “Als de ster een rode reus wordt en groeit, reiken de turbulente lagen dieper in de ster”, zegt Hekker. “Binnenin de ster verandert de samenstelling van bouwstoffen vanwege de kernfusie die daar plaatsvindt. De elementen koolstof, stikstof en zuurstof, worden als het ware naar boven geschept, zodat de verhoudingen van elementen aan de buitenkant van de ster veranderen. En dat kunnen we meten.”

Koolstof, stikstof en zuurstof

Op die manier zagen Hekker en Johnson wat er in het binnenste van de ster gebeurde. “De verhoudingen van de chemische elementen wezen op een lage massa, ongeveer één keer de massa van onze zon, maar als we de massa maten aan de hand van schommelingen in de lichtsterkte was die veel groter. Daar valt geen andere oorzaak voor te bedenken dan dat ze er massa bij hebben gekregen van een andere ster. Dus dat is de conclusie die we nu getrokken hebben.”

Dat gold niet voor alle rode reuzen die zijn onderzocht. De verhoudingen van koolstof, stikstof en zuurstof op het oppervlak van een aantal sterren klopte met hun grote massa. De onderzoekers vermoeden dat deze sterren al in een eerder stadium gefuseerd zijn met een andere ster, nog voordat de chemische elementen uit de kern naar het oppervlak geschept konden worden door de turbulentie. Hoe dat precies zit, moet nog verder uitgezocht worden.

Evolutiemodellen voor sterren

Astronoom Lex Kaper van het Anton Pannekoek Instituut in Amsterdam vindt het een interessant onderzoek. “De laatste tien jaar ontdekten we dat de meeste sterren vaak een partner hebben. Onze zon is eigenlijk een uitzondering. Als de sterren opzwellen tot een rode reus, komen ze zo dicht bij elkaar dat ze met elkaar kunnen versmelten. Vroeger dachten we dat dat heel uniek was.”

Voor de evolutie van sterren zijn modellen gemaakt op basis van waarnemingen en metingen, zodat astronomen weten in welke staat een nieuw ontdekte ster zich bevindt. “Voor individuele sterren kunnen we, als we weten wat de massa is, op de grond van de modellen weten hoe oud ze kunnen worden,” zegt Kaper. Voor gefuseerde sterren zijn die modellen er nog niet. “Er zijn wel projecten voor,” zegt Hekker, “maar dat onderzoeksgebied staat nog in de beginfase van ontwikkeling.”

Dat onze zon een eenling is, schijnt best bijzonder te zijn. Sterren hebben vaak één of meerdere partners. Omdat zij aangetrokken worden door elkaars zwaartekracht, draaien ze om elkaar heen.

 Sputnikzion, Pixabay via CC0

Vervolgonderzoek

Het onderzoek van Hekker en Johnson levert ook meer zekerheid over de betrouwbaarheid van de huidige methodes om de leeftijd van sterren te bepalen. Vaak wordt de leeftijd van een ster alleen uit de bouwstoffen afgeleid. Voor de bepaling van de bouwstoffen is namelijk maar één meting nodig, terwijl er voor het meten van de schommelingen in de lichtsterkte meerdere metingen nodig zijn. “Wat we hier laten zien is eigenlijk een bevestiging dat de bouwstoffen prima zijn om de leeftijd van een ster te bepalen”, zegt Hekker.

Ook zou Hekker graag met behulp van de schommelingen in de lichtsterkte van de ster – die hier alleen gebruikt zijn om de massa te bepalen – een kijkje nemen in het binnenste van de ster. “Welke fysische processen spelen zich daar af? Zijn die anders dan bij sterren die niet gefuseerd zijn, en heeft dat invloed op de evolutie van de ster? Dat wil ik graag weten.”

Het bestuderen van de massa, de leeftijd en de binnenste structuur van sterren levert informatie op over het sterrenstelsel waar zij zich in bevinden. Dat draagt bij aan het verder begrijpen van het ontstaan en de ontwikkeling van onze eigen Melkweg. Hoewel het onderzoek naar gefuseerde sterren nu nog in de kinderschoenen staat, kan het in de toekomst waardevolle informatie opleveren over de fysische processen die daarbij een rol spelen, en hoe uitzonderlijk onze zon eigenlijk is.

Bron:
  • S. Hekker, J. A. Johnson, Origin of α-rich young stars: clues from C, N, and O, Notices of the Royal Astronomical Society (2019), doi:10.1093/mnras/stz1554
ReactiesReageer