Nieuw onderzoek met ESO’s Very Large Telescope (VLT) heeft uitgewezen dat de meeste zeer heldere, zware sterren, die bepalend zijn voor de evolutie van een sterrenstelsel, niet alleen zijn. Bijna driekwart van deze sterren – veel meer dan tot nu toe gedacht – blijkt een nabije begeleidende ster te hebben. Verrassend genoeg ondergaan de meeste van deze paren ook ontwrichtende interacties, zoals massa-overdracht van de ene ster naar de andere.
Naar verwachting komt het in ongeveer één op de drie gevallen zelfs tot een fusie van beide sterren. Deze resultaten worden op 27 juli 2012 in het tijdschrift Science gepubliceerd. De meeste sterren in het heelal zijn heel anders dan onze zon. Een internationaal onderzoeksteam heeft de VLT gebruikt om zogeheten O-type sterren te onderzoeken – sterren met een zeer hoge temperatuur, massa en helderheid (1). Deze sterren leven kort maar hevig, en spelen een sleutelrol in de evolutie van sterrenstelsels. Ze staan ook in verband met extreme verschijnselen zoals 'vampiersterren' waarbij een kleinere begeleidende ster materie van het oppervlak van zijn grotere buurman afrukt, en gammaflitsen.
‘Deze sterren zijn absolute kolossen,’ zegt Hugues Sana (Universiteit van Amsterdam), de hoofdauteur van het onderzoek. ‘Ze hebben minstens 15 keer zoveel massa als onze zon en kunnen tot wel een miljoen keer helderder zijn. Deze sterren zijn zo heet dat ze fel blauwwit licht uitstralen en oppervlaktetemperaturen van meer dan 30.000 graden Celsius hebben.’ De astronomen hebben de VLT op zes nabije jonge sterrenhopen in de Melkweg gericht, om een steekproef van 71 enkelvoudige sterren en sterparen (dubbelsterren) van het O-type te onderzoeken. Door het licht van deze objecten (2) gedetailleerder dan ooit te analyseren, heeft het team ontdekt dat 75% van alle O-sterren deel uitmaken van dubbelstersystemen – een groter deel dan eerder werd gedacht. Maar belangrijker is dat in onverwacht veel gevallen de afstand tussen beide sterren klein genoeg is om interacties mogelijk te maken (massa-overdracht of fusies tussen beide sterren). En dat heeft verregaande gevolgen voor ons begrip van de evolutie van sterrenstelsels.
O-sterren vormen slechts een fractie van een procent van alle sterren in het heelal, maar door de hevige verschijnselen die ze veroorzaken hebben ze een buitenproportioneel effect op hun omgeving. De winden en schokken van deze sterren kunnen de vorming van nieuwe sterren stimuleren, maar ook verhinderen. Met hun straling brengen ze omringende gasnevels aan het gloeien. Hun supernova-explosies verrijken sterrenstelsels met de zware elementen die cruciaal zijn voor het ontstaan van leven. En ten slotte worden ze ook nog in verband gebracht met de gammaflitsen, die tot de meest energierijke verschijnselen in het heelal behoren. Sterren van het O-type zijn dus van invloed op veel van de mechanismen die de evolutie van een sterrenstelsel bepalen ‘Het leven van een ster wordt sterk beïnvloed als hij naast een andere ster bestaat,’ zegt mede-auteur Selma de Mink (Space Telescope Science Institute, VS). ‘Als twee sterren heel dicht om elkaar heen cirkelen, kunnen ze uiteindelijk samensmelten. Maar zelfs als dat niet gebeurt, zal de ene ster vaak materie van het oppervlak van zijn begeleider afrukken.’ Fusies tussen sterren, die volgens het team bij naar schatting 20-30% van alle O-sterren optreden, zijn heftige gebeurtenissen. Maar zelfs het relatief rustig verlopende stellaire vampirisme, dat nog eens 40-50% van alle gevallen voor zijn rekening neemt, heeft diepgaande gevolgen voor de evolutie van deze sterren.
Tot nu toe gingen de meeste astronomen ervan uit dat compacte zware dubbelsterren de uitzondering waren: ze waren in feite alleen nodig om het bestaan van exotische objecten als röntgendubbelsterren, dubbele pulsars en dubbele zwarte gaten te kunnen verklaren. Maar dit nieuwe onderzoek toont aan dat deze simplificatie tekortschiet: zware dubbelsterren komen niet alleen vaak voor, hun levens verschillen fundamenteel van die van enkelvoudige sterren. In het geval van de vampiersterren bijvoorbeeld ondergaat de kleinere, lichtere ster die verse waterstof van zijn begeleider opzuigt een verjongingskuur. Zijn massa zal aanzienlijk toenemen en hij wordt ouder dan zijn begeleider, veel ouder ook dan een enkelvoudige ster van dezelfde massa zou worden. Ondertussen wordt zijn slachtoffer beroofd van zijn gasomhulsel voordat hij de kans krijgt om in een heldere rode superreus te veranderen. En daardoor komt zijn hete, blauwe kern bloot te liggen. Het gevolg daarvan is dat de stellaire populatie van een ver sterrenstelsel veel jonger kan lijken dan zij in werkelijkheid is: zowel de verjongde vampiersterren als hun uitgeklede slachtoffers worden heter en blauwer van kleur, waardoor ze eruitzien als jongere sterren. Om deze verre sterrenstelsels goed te kunnen karakteriseren, is het dus zaak om te weten wat de werkelijke bijdrage van onderling wisselwerkende zware dubbelsterren is (3) ‘De enige informatie die astronomen over verre sterrenstelsels hebben, is afkomstig van het licht dat onze telescopen bereikt. Zonder veronderstellingen te maken over wat verantwoordelijk is voor dit licht, kunnen we geen conclusies trekken over het sterrenstelsel, zoals hoe zwaar of hoe jong het is. Dit onderzoek toont aan dat de veelgebruikte veronderstelling dat de meeste sterren enkelvoudig zijn tot de verkeerde conclusies kan leiden,’ besluit Sana. Inzicht in de grootte van deze effecten, en de mate waarin dit nieuwe perspectief ons beeld van de evolutie van sterrenstelsels zal veranderen, vereist verder onderzoek. Modelberekeningen aan dubbelsterren zijn ingewikkeld, dus het zal wel even duren voordat al deze overwegingen zijn opgenomen in de modellen voor de vorming van sterrenstelsels.
Noten
(1) De meeste sterren worden ingedeeld naar hun spectraaltype of kleur, die afhankelijk is van de massa en oppervlaktetemperatuur van de ster. De meest gebruikte classificatiereeks, die van blauw (= heet en zwaar) naar rood (= koel en licht) loopt, verdeelt de sterren in de klassen O, B, A F, G, K en M. O-type sterren hebben oppervlaktetemperaturen van ongeveer 30.000 graden Celsius en hoger, en zijn helderblauw van kleur. Hun massa’s zijn minstens vijftien keer zo groot als de massa van onze zon.
(2) De twee componenten van een dubbelstersysteem bevinden zich doorgaans te dicht bij elkaar om hen als afzonderlijke lichtpunten te zien. Het onderzoeksteam kon het dubbele karakter van de geselecteerd sterren detecteren door gebruik te maken van de Ultraviolet and Visible Echelle Spectrograph (UVES) van de VLT. Een spectrograaf ontleedt het licht van een ster ongeveer zoals een prisma het licht van de zon tot een regenboog of spectrum van kleuren ontleedt. Zo’n spectrum vertoont een subtiele ‘streepjescode’ van donkere lijntjes die veroorzaakt worden door de verschillende elementen in de steratmosfeer, die elk specifieke kleuren absorberen. Wanneer astronomen enkelvoudige sterren waarnemen, staan deze zogeheten absorptielijnen stil, maar bij dubbelsterren verschuiven de lijnen van de twee sterren een beetje ten opzichte van elkaar, wat een gevolg is van de bewegingen van de sterren. Door te kijken hoe ver en met welke snelheid de lijnen ten opzichte van elkaar verschuiven, kunnen astronomen de baaneigenschappen van de dubbelster bepalen, en ook vaststellen of de twee sterren dicht genoeg bij elkaar zijn om massa uit te wisselen of zelfs te fuseren.
(3) Het bestaan van dit grote aantal vampiersterren kan ook een ander raadselachtig waarnemingsfeit verklaren. Ongeveer één op de drie sterren die als supernova exploderen vertonen een opmerkelijk gebrek aan waterstof, wat nogal vreemd is omdat sterren doorgaans grotendeels uit waterstof bestaan. Het aandeel waterstof-arme supernovae komt echter nauwkeurig overeen met het aandeel vampiersterren zoals dat bij dit onderzoek is gemeten. Vampiersterren kunnen de oorzaak zijn van waterstof-arme supernova-explosies, omdat ze de waterstof-rijke buitenlagen van hun slachtoffer afrukken, voordat deze als supernova kan exploderen.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek staan in het artikel ‘Binary interaction dominates the evolution of massive stars’ van H. Sana et al., dat op 27 juli 2012 in het tijdschrift Science verschijnt. Het onderzoeksteam bestaat uit H. Sana (Universiteit van Amsterdam), S.E. de Mink (Space Telescope Science Institute, Baltimore, VS; Johns Hopkins University, Baltimore, VS), A. de Koter (Universiteit van Amsterdam), N. Langer (Universiteit van Bonn, Duitsland), C.J. Evans (UK Astronomy Technology Centre, Edinburgh, VK), M. Gieles (University of Cambridge, VK), E. Gosset (Universiteit van Luik, België), R.G. Izzard (Universiteit van Bonn), J.-B. Le Bouquin (Université Joseph Fourier, Grenoble, Frankrijk) en F.R.N. Schneider (Universiteit van Bonn).
Het jaar 2012 staat in het teken van de vijftigste verjaardag van de oprichting van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO). ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die uitsluitend is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), een telescoop van de 40-meterklasse die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
