EEN NIEUW HOOFDSTUK STERRENKUNDE

Veel sterrenkundeboeken zijn vanaf januari aan een herdruk toe: voor het eerst heeft een telescoop - de Hubble ruimtetelescoop natuurlijk - een ster werkelijk kunnen bekijken.

De dag dat de Hubble ruimtetelescoop zich in de richting van Betelgeuze wendde, waren de voorzorgsmaatregelen inderdaad extreem. De helderste ster van het sterrenbeeld Orion, zelfs aan de stedelijke nachthemel goed te zien als de linkerbovenhoek van het 's avonds opkomende 'Wintervierkant', mocht zijn licht niet zomaar laten schijnen op het gevoeligste instrument dat de Hubble aan boord heeft.

Tussen het beeldje dat de 4,5 meter grote hoofdspiegel van Betelgeuze maakte en de faint object camera (de zwakke-objectencamera, FOC) werden om te beginnen twee filters gezet die beide maar een smal golflengtegebiedje in het ultraviolet doorlieten. De gebiedjes van die twee filters hadden bijna geen overlapping: alleen een erg heldere bron zou nog iets door het kiertje kunnen krijgen. Bovendien werd de ruimtetelescoop geïnstrueerd om daar bovenop zoveel golflengteneutrale filters in de baan van het licht te schuiven, dat de intensiteit nog eens veertig keer verzwakt werd. De hele opstelling werd gecontroleerd door voorafgaand aan de eigenlijke waarneming naar een zwak sterretje te kijken.

Alles bij elkaar een tamelijk waterdichte methode om te voorkomen dat de FOC na afloop even functioneel zou zijn als een mensenoog dat een tijdje aandachtig rechtstreeks in de zon heeft gekeken. En tòch, vertelt Andrea Dupree van het Harvard-Smithsonian institute for astrophysics, vond de programmacommissie van de ruimtetelescoop het veiliger wanneer deze waarneming niet direct aan het begin van het werkzame leven van de telescoop gedaan zou worden.

Eind januari kreeg de jaarvergadering van de American astronomical society (AAS), die Dupree trouwens voor twee jaar tot voorzitter verkoos, iets te zien dat volgens alle astronomieboeken die tot op de dag van vandaag in druk zijn onmogelijk is: het beeld van een ster. In oogverblindend wit, geel en oranje presenteerden Dupree en haar collega Ronald Gilliland van het Space telescope science institute (STScI) in Baltimore het plaatje dat de Hubble had geschoten.

Veel te ver weg, wisten de schrijvers van al die boeken. Een ster is een punt aan de hemel en in een telescoop blijft het gewoon een punt. 'Oplossen' is de technische term in de sterrenkunde voor wat een telescoop doet met planeten, nevels of melkwegstelsels: het zodanig uitvergroten van een object dat je er de vorm van kunt zien en details van de oppervlakte kunt onderzoeken. Sterren zijn vast wel bolvorming en met voldoende vergroting zou je hun beeld dus moeten kunnen oplossen tot een schijfje - maar het is niet haalbaar.

Was niet haalbaar.

De foto van Betelgeuze kon gemaakt worden door de beste prestatie die de ruimtetelescoop kon leveren te koppelen aan de grootste ster aan de hemel die de onderzoekers konden vinden, legt Gilliland uit. In de sterrenkunde worden afmetingen aan de hemel gemeten als hoeken: in booggraden, boogminuten en boogseconden. Het oplossend vermogen van een goede, grote telescoop op aarde, het kleinste detail dat die telescoop nog zichtbaar kan maken, is ongeeer een boogseconde. Dat komt doordat de atmosfeer het licht altijd wat stoort, zelfs al staat het observatorium in de ijle lucht op een bergtop. Maar de Hubble telescoop kan vanuit zijn baan om de aarde wel tien keer zo nauwkeurig kijken. En dat bracht Gilliland en Dupree op de gedachte dat een beeld van een ster misschien toch tot de mogelijkheden zou kunnen behoren. Maar dan wel een grote ster, groot van zichelf, groot door zijn relatieve nabijheid en bij voorkeur allebei: de rode superreus Betelgeuze dus.

Ibt-al-Djusa, Oksel van de Reus noemden de Arabieren de opvallendste ster van Orion, a Orionis in het systeem van de moderne astronomie. Er zijn maar acht sterren aan de hemel helderder en de meesten daarvan zijn zwakke sterren die toevallig nogal dichtbij staan, op hoogstens enkele tientallen lichtjaren. Betelgeuze vecht zich in de top-tien over een afstand van 520 lichtjaren en verdient daarmee de benaming 'rode superreus'.

Superreuzen zijn zware sterren die het einde van hun leven naderen. Ooit zal Betelgeuze zijn carrière als ster eindigen in een supernova-ontploffing. Korte tijd zal hij de volle maan letterlijk in de schaduw stellen. Tot die apocalyps doet de ster zijn best zijn enorme warmteproduktie op een wat rustiger manier kwijt te raken: door enorm groot te worden.

Bijna alle sterren gaan door zo'n reuzenfase heen, ook de zon. Een ster 'ontsteekt' wanneer een gaswolk zich als gevolg van de zwaartekracht voldoende samentrekt: de temperatuur en druk in het centrum lopen zo hoog op, dat waterstofkernen fuseren tot helium. De energie die daarbij vrijkomt gaat het samentrekken van de gaswolk tegen, en zo 'verzet' de materie zich een tijd lang tegen de zwaartekracht. Miljarden jaren kan op die manier de zon schijnen, uiterlijk nauwelijks veranderend.

Maar de zwaartekracht heeft altijd de langste adem: ooit raakt de waterstof in het binnenste op en blijft een heliumkern over. Of de ster dan nog verder verweer heeft, hangt af van zijn massa. Als die voldoende is, kan ook de helium fuseren (tot koolstof). Maar op die brandstof brandt de oven in het binnenste wel een stuk harder. De ster moet meer warmte uitstralen, en de natuur zoekt daarvoor de effectiefste manier: het vergroten van het oppervlak. De ster wordt ijl, zwelt op. De buitenste lagen koelen af en stralen vooral rood licht uit, maar dat dan wel in enorme hoeveelheden. Mercurius en Venus zullen ooit onder het oppervlak van de tot 'rode reus' opzwellende zon raken. En de buitenste lagen van 'rode superreus' Betelgeuze reiken zo ver dat de baan van Jupiter er al ruimschoots in zou verdwijnen.

Zo groot is Betelgeuze, dat zelfs vanaf de aarde geprobeerd is met speciale computertechnieken het beeld van de ster uit de door de atmosfeer veroorzaakte warboel te halen. Maar de beelden die daar het resultaat van waren, leken niet bepaald op elkaar, zodat die waarnemingen nooit als echte beelden van de ster erkend zijn.

Gilliland en Dupree konden met hun Hubble-opnamen niet alleen de verstoring van het licht door de atmosfeer vermijden, maar ook van de gelegenheid gebruik maken om hun waarneming te doen in ultraviolet licht, dat door de ozonlaag grotendeels bij aardse telescopen wordt weggehouden. Hoe groot het oplossend vermogen van een telescoop in vacuüm kan worden, hangt namelijk ook af van de golflengte van het gebruikte licht. De spiegel moet licht dat uit één richting komt precies in één punt weergeven en zelfs bij een ideale telescoop, zo verordonneren de wetten van de optica, lukt dat nooit helemaal. Het punt wordt een cirkeltje, maar bij een korte golflengte wordt het cirkeltje wel veel kleiner dan bij een lange.

Gilliland: “Dat is de eerste reden dat we deze waarneming in het ultraviolet hebben gedaan. In dat gebied is het oplossend vermogen van de ruimtetelescoop slechts twintig milli-boogseconden! Maar ten tweede verwachtten we dat Betelgeuze een zeer uitgebreide atmosfeer zou hebben, met zo'n hoge temperatuur dat ze vooral in het ultraviolet straalt. De ster is in dat licht bezien gewoon veel groter.”

Een klein beetje haalt dat natuurlijk de glans van het door hem en Dupree gepresenteerde plaatje af, voor de romanticus tenminste. Dit is niet Betelgeuze zoals je hem met je eigen mensenogen zou zien als je er een stuk dichterbij zou wonen. En nog erger: zelfs als je in die gelukkige positie zou verkeren, en zelfs als je ogen gevoelig zouden zijn voor ultraviolet licht, zou je door je oogharen naar Betelgeuze moeten kijken om te zien wat op het plaatje staat. Want dat hebben Gilliland en Dupree ook gedaan - met de computer. Doordat ze immers aan de grens van de mogelijkheden werkten, bestaat hun opname eigenlijk uit een stuk of twaalf beeldpunten, die samen het sterreschijfje moeten beschrijven.

Dat is altijd nog klassen beter dan dat ene beeldpunt dat Betelgeuze vanaf de aarde te ontfutselen was. En met voor wetenschappers niet zo erg gebruikelijk bravoure schrijven Gilliland en Dupree dan ook in een aan een vakblad aangeboden artikel: “Ons beeld van Betelgeuze in het ultraviolet opent een nieuw hoofdstuk in het astrofysisch onderzoek.”

En met niet meer dan een dozijn beeldpunten doet het precies dat. Want op het beeld is een hot spot te zien, een lichte vlek, die de theoreten onmiddelijk aan hun borst zullen klemmen. Wat meer licht geeft, moet heter zijn en dus is er in de atmosfeer van Betelgeuze een gebied waar het een graad of tweeduizend warmer is dan elders. “Minstens tweeduizend, want we hebben die vlek zelf in onze waarneming niet opgelost”, waarschuwt Gilliland. “Misschien is het gebied veel kleiner dan een beeldpunt, en om dat extra licht uit te stralen moet het dan nog een stuk heter zijn.”

Wat zou het kunnen zijn? Een convectiecel misschien, denkt Andrea Dupree. Met convectie brengt elke ster warm materiaal uit het binnenste omhoog naar de oppervlakte, naar de laag waar de straling het verdere transport voor zijn rekening neemt. En koud materiaal zinkt weer terug, in een constante kringloop. Convectie is het proces dat heuveltjes op het oppervlak van net niet kokend water maakt en de thermiekbellen schept waar zweefvliegtuigen en buizerds het van moeten hebben.

Nu is één thermiekbel op de waarneembare kant van zo'n enorme ster niet veel, maar juist dat zou aardig kunnen kloppen: “Op de zon zie je zoveel convectiecellen dat het net lijkt of de zon de mazelen heeft”, zegt Dupree. “Maar hoe ijler het medium is, en hoe geringer de zwaartekracht, hoe grootschaliger en trager de convectie erin is. In de jaren vijftig heeft de astronoom Schwarzschild al uitgerekend dat er in de atmosfeer van een superreus misschien maar een stuk of vijf convectiecellen tegelijk actief zullen zijn.”

Daarmee zou deze eerste waarneming van Betelgeuze al twee theoretische voorspellingen over rode superreuzen hebben bevestigd: de uitgebreide atmosfeer die de ster in het ultraviolet inderdaad zeer groot maakt, en de grootschalige convectie. Maar van dat laatste is Dupree toch nog lang niet zeker. “Het kan ook om een magnetisch verschijnsel gaan, zoals de zonnevlekken op de zon dat zijn. Dat zou interessant zijn, als Betelgeuze magnetische velden heeft die zoveel energie op één plek vast kunnen te houden.”

En dan kan de hot spot ook nog een schokgolf zijn. De astronomen wisten al dat Betelgeuze een pulserende ster is. Hij verandert regelmatig van helderheid, en bij onderoek van de samenstelling van het licht was te zien dat het oppervlak op en neer bewoog: het licht veranderde van golflengte als de sirene van een dichterbijkomende en weer wegrijdende ambulance. Dupree: “Het zou kunnen zijn dat er drukgolven van binnen naar buiten door de ster lopen. In die ijle buitenlagen is de geluidssnelheid heel laag en als zo'n golf daar sneller gaat dan die geluidssnelheid, krijg je een schokgolf. Die maakt het gas dan heet.”

Dat de waarneming gegevens op zou leveren die niet onmiddelijk met behulp van de bestaande astrofysica thuis te brengen zijn, was natuurlijk te verwachten. Maar is het geen probleem dat dit zo ongeveer het uiterste is dat we over Betelgeuze te weten kunnen komen? Volgens Gilliland en Dupree is dat niet zo. Om te beginnen kunnen nu alweer de modellen van dergelijke grote sterren worden aangepast aan de nu gedane waarnemingen. De Nederlander Han Uitenbroek is daar op Harvard voor Dupree mee bezig.

En er zullen wel degelijk meer waarnemingen komen. Gilliland wijst op een nieuwe spectrograaf die volgend jaar op de Hubble zal worden geïnstalleerd en die in behoorlijk detail de samenstelling van het licht van de verschillende beeldpunten van Betelgeuze zal kunnen vergelijken. En ook vóór die tijd zal de Hubble zich, ondanks de gevaren, weer naar de superreus keren: “We hebben met Betelgeuze long term status gekregen en daar zijn we heel trots op”, zegt Dupree. “De komende drie jaar gaan we twee keer per jaar kijken. Op die manier kunnen we er misschien achter komen of de hot spot telkens verdwijnt en ergens anders weer opduikt, of dat hij langaam over de ster beweegt. In het laatste geval is hij waarschijnlijk magnetisch van aard, en dan zullen we eruit kunnen opmaken hoe snel Betelgeuze om zijn as draait!”

Op langere termijn, gelooft de aanstaande AAS-voorzitster, zal de Hubble telescoop nog wel eens vervangen worden door een nog grotere. Heeft Nasa-directeur Daniel Goldin twee weken geleden niet gezegd dat de Hubble ouderwets was? “Hij heeft gelijk, technologisch en financieel is de Hubble een obsceen ding: het is techniek van vijfentwintig jaar oud! Goldin had het over floppy mirrors, enorme, slappe spiegels die je in de ruimte pas in de juiste vorm brengt en houdt. Voor die omgeving is dat een veel goedkopere techniek. En de Europeanen denken over een interferometer in de ruimte, een kruis van telescopen die kilometers van elkaar af staan en waarvan je het licht combineert. Daarmee kun je Betelgeuze in veel groter detail te zien krijgen. Die tijd komt echt nog.”

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden