Mijn onderzoek

Mijn onderzoek gaat over meerdere sterpopulaties in bolvormige sterhopen. Dat klinkt heel complex, daarom leg ik eerst uit wat een bolvormige sterhoop is en wat we bedoelen met een sterpopulatie. Daarna kan ik toelichten wat ik precies onderzoek.

[EDIT 22-8-2017: In de afgelopen jaren heeft mijn onderzoek zich toegespitst op één scenario dat het ontstaan van meerdere sterpopulaties probeerde te verklaren: het opvegen van gas door protoplanetaire schijven. Hierover later meer.]

 


 

Wat is een bolvormige sterhoop?

ngc2808

Zo ziet een bolvormige sterhoop er uit.

Bolvormige sterhopen (ookwel bolhopen genoemd en globular clusters in het engels) bestaan uit honderdduizenden sterren die door de zwaartekracht bij elkaar gehouden worden. We hebben ongeveer 150 bolvormige sterhopen in ons melkwegstelsel. Ze bevinden zich in de buitenste regionen (de zogeheten ‘halo’) en draaien in grote banen om het centrum van ons melkwegstelsel. Bolvormige sterhopen zijn erg oud, pakweg 10 milljard jaar (sommige zelfs 12.7 miljard jaar). Ter vergelijking: onze zon is 4.6 miljard jaar oud en ons melkwegstelsel 13.2 miljard jaar. Dat betekent dat de sterren in bolvormige sterhopen tot de oudste van ons melkwegstelsel behoren en heel lang geleden geboren zijn.

MW_zijaanzicht

Een zijaanzicht van ons Melkwegstelsel met daarin de posities van bolvormige sterhopen (Globular Clusters) aangegeven.

Hoe werkt dat eigenlijk, de geboorte van een bolvormige sterhoop? We dachten dat we daar een heel duidelijk beeld van hadden, maar de laatste 10 à 15 jaar (veranderingen in de wetenschap gaan geleidelijk) is dat beeld drastisch veranderd, althans het beeld van wat er ná de geboorte gebeurt. Dat is precies waar mijn onderzoek over gaat. Voordat ik kan vertellen wat er veranderd is, moet ik eerst het oude beeld beschrijven.

 


 

Hoe ontstaat een bolvormige sterhoop?

Sterren, en dus ook bolvormige sterhopen, worden geboren uit gigantische gaswolken. Zo’n gaswolk bestaat uit waterstof (±75%), helium (±25%) en zwaardere elementen die astronomen gemakzuchtig ‘metalen’ noemen (minder dan 0.1%). Als een gaswolk in elkaar stort dan begint het gas op allerlei plekken samen te klonteren. Uit deze klonten gas ontstaan sterren.

In onderstaande simulatie zie je hoe dat in zijn werk gaat. Het begint allemaal met een gigantische bol gas die ineenstort. De kleur geeft de dichtheid van het gas aan: hoe lichter de kleur, hoe hoger de dichtheid van het gas. Uiteindelijk worden er sterren geboren die als witte puntjes door de ruimte vliegen.

We zeggen dat een ster ‘geboren’ wordt op het moment dat de temperatuur en druk in de kern hoog genoeg zijn om kernfusie plaats te laten vinden. De ster begint dan met het fuseren van waterstof naar helium. De energie die vrijkomt bij de kernfusie zorgt ervoor dat een ster niet in elkaar stort, zoals bij de gigantische gaswolk wel gebeurde. Kernfusie is dus de essentiele ‘brandstof’ voor het voortbestaan van een ster: als er geen kernfusie meer kan plaatsvinden in zijn kern, is de ster ‘opgebrand’ en sterft hij.

Alle sterren in een bolvormige sterhoop ontstaan op min of meer hetzelfde moment uit dezelfde gaswolk. Dat betekent dat alle sterren even oud zijn en dat ze allemaal dezelfde chemische samenstelling hebben, namelijk de samenstelling van de gaswolk.


Wat is een sterpopulatie?

Alle sterren die op hetzelfde moment, op dezelfde plek en met dezelfde chemische samenstelling geboren zijn, noemen we een sterpopulatie. Dat betekent dat alle sterren in een bolvormige sterhoop samen een sterpopulatie vormen. Je zou ook kunnen zeggen dat alle sterren tot dezelfde generatie behoren. De sterren in een populatie onderscheiden zich alleen door hun massa: niet alle sterren zijn even zwaar als ze geboren worden. Er worden meer lichte dan zware sterren geboren. De verdere levensloop van een ster wordt bepaald door zijn massa: hoe zwaarder de ster, hoe hoger de druk en temperatuur in zijn kern en hoe sneller hij door zijn brandstof heen gaat. Zwaardere sterren evolueren dus sneller. Na 10 miljard jaar zitten de zware sterren in een andere (verdere) evolutiefase dan de lichtere sterren.


 

Het Hertzsprung-Russeldiagram

47Tuc_VB-V

Een Hertzsprung-Russel diagram van de bolvormige sterhoop 47 Tucanae, kortweg 47Tuc. Alle sterren liggen in dit geval min of meer op dezelfde lijn en dus zijn ze allemaal ongeveer 11.5 miljard jaar oud. De sterren in de onderste helft van het diagram liggen iets minder netjes op de lijn. Tot voor kort weg gedacht dat dit kwam, omdat deze sterren minder helder te zijn en dus moeilijker waar te nemen. Dat betekent dat je eerder een fout maakt in de waarneming en dat zou zorgen voor de spreiding. Tegenwoordig weten we dat we de oorzaak ergens anders moeten zoeken.

Astronomen hebben een handige manier bedacht om de evolutie van een ster in weer te geven: Het Hertzsprung-Russeldiagram. Er moet wel gezegd worden dat het vooral handig is voor de geoefende kijker. De positie in het diagram zegt iets over de evolutiefase waar een ster in zit. De positie hangt van verschillende factoren af. De 3 belangrijkste factoren zijn: 1. de leeftijd van de ster 2. de chemische samenstelling waarmee de ster geboren werd en 3. de massa van de ster. We hebben net vastgesteld dat punt 1. en 2. voor alle sterren in dezelfde sterpopulatie gelijk zijn. Alleen de massa van een ster bepaalt dus zijn positie in het Hertzsprung-Russel diagram. De sterren met de kleinste massa (en kleinste lichtkracht) bevinden zich onderin het Hertzsprung-Russel diagram. Hoe zwaarder (en helderder) de ster, hoe hoger hij in het diagram ligt.

In de figuur hiernaast zie je het Hertzsprung-Russel diagram van de bolvormige sterhoop 47 Tucanae. Met behulp van modellen die we hebben van sterevolutie kunnen we een lijn tekenen in het Hertzsprung-Russeldiagram, waarop alle sterren liggen met dezelfde leeftijd (11.5 miljard jaar in dit geval) en chemische samenstelling, waarmee ze geboren zijn. De lijn is niet netjes doorgetrokken, omdat sterren tijdens hun evolutie een ‘sprong’ maken in het diagram. Bijna alle sterren liggen netjes op de lijn, zoals we zouden verwachten. In de onderste helft is er meer spreiding en liggen de sterren wat verder weg van de lijn. Dit zijn ook de sterren met de minste lichtkracht en daardoor zijn ze moeilijker waar te nemen. Men dacht daarom dat die verspreiding te wijten was aan de waarneming en dat met betere instrumenten en grotere telescopen zou blijken dat de sterren wel netjes op de lijn blijken te liggen.


 

Meerdere sterpopulaties

Een Hertzsprung-Russel diagram van de bolvormige sterhoop NGC 2808 (waarvan bovenaan deze pagina de foto te zien is). Dit diagram is ingezoomd op de minder heldere sterren (vergelijk met de onderste helft van het plaatje van 47 Tucanae hierboven). Met de huidige techniek kunnen we ook de minder heldere sterren wel goed waarnemen. Daar waar je bij het diagram van 47 Tucanae nog een grote spreiding ziet, is hier duidelijk te zien dat de sterren wel degelijk op meerdere lijnen liggen. We kunnen discussieren over hoeveel verschillende lijnen je ziet, maar het zijn er in ieder geval meer dan een. Elke lijn vertegenwoordigt een ander helium percentage (24.8, 30, 35 en 40%).

Niets bleek echter minder waar. We leven op dit moment in de ‘Gouden Eeuw’ van de Sterrenkunde. Er worden nog steeds grotere telescopen en betere instrumenten gebouwd. Toen we ongeveer 10 jaar geleden met meer detail naar bolvormige sterhopen gingen kijken, bleek dat er wel degelijk sprake is van een spreiding. Sterker nog, we zien zelfs een splitsing. Hiernaast zie je daar een mooi voorbeeld van in het Hertzsprung-Russeldiagram van NGC2808 (die van de foto bovenaan deze pagina). Vergeleken met het diagram van 47 Tucanae is dit diagram meer ingezoomd op de onderste helft (op de zogeheten ‘hoofdreeks’). We kunnen hier niet meer één lijn tekenen waarop alle sterren liggen. We hebben duidelijk meerdere lijnen nodig. Dat betekent dat de sterren op een andere lijn in ieder geval een andere chemische samenstelling en misschien ook een andere leeftijd hebben. In de inzet zijn lijnen getekend met een verschillend helium percentage (nl 24.8, 30, 35 en 40% helium).

We kunnen hieruit concluderen dat er in deze bolvormige sterhoop meerdere sterpopulaties zitten. En wat blijkt: in elke bolvormige sterhoop waar we op dit moment in detail naar kijken, vinden we meerdere sterpopulaties. Dit is dus in strijd met het klassieke beeld dat we van bolvormige sterhopen hebben (of beter: hadden). De grote vraag is nu: hoe ontstaan die andere sterpopulaties? Dat is nu precies wat ik onderzoek. We gaan ervan uit dat de andere sterpopulaties in de bolvormige sterhopen zijn ontstaan, maar aangezien ze meer dan 10 miljard jaar geleden onstaan zijn, kunnen we nu niet meer zien hoe dat is gegaan. Daarom gebruik ik computermodellen, waarin we alle kennis stoppen die we hebben. Met deze modellen simuleren we bolvormige sterhopen en hopen we meer te weten te komen over het ontstaan van de verschillende sterpopulaties.