Binnenkijken in oude sterren

In het rijtje van de finalisten voor de Eos Gouden Pipet is Paul Beck – letterlijk – de vreemde eend. Als Oostenrijker is hij de enige buitenlander. Vier jaar geleden kwam hij naar het Instituut voor Sterrenkunde van de KU Leuven voor zijn proefschrift.

Als we bij Beck langslopen op de campus in Heverlee, is hij volop bezig met de voorbereiding voor z’n interne verdediging. Als die positief wordt beoordeeld – en daar zijn we van overtuigd – dan mag Beck later dit jaar z’n publieke verdediging houden.

Het gebeurt niet vaak dat een promovendus tijdens zijn onderzoekstermijn niet één, maar twee artikels publiceert in wetenschappelijke vakbladen met het hoogste aanzien (in 2011 in Science, en in 2012 in Nature). Sterker: Paul Beck deed dat telkens als eerste auteur, omdat hij het project leidde dat de snel roterende sterkernen ontdekte.

Hiaten

Waarom is deze ontdekking zo opzienbarend? ‘Astronomen hebben de laatste decennia veel mooie beelden kunnen maken van sterren, sterrenstelsels en de vele andere objecten in ons universum’, vertelt Beck. ‘Maar in die zee van kennis liggen enkele grote hiaten. Directe waarnemingen tonen ons alleen het oppervlak van de objecten; wat zich binnenin afspeelt blijft verborgen. De interne structuur en dynamiek van sterren is een voorbeeld van zo’n hiaat.’

Beck legt uit dat we de buitenkant van sterren kunnen waarnemen dankzij het licht dat ze uitzenden, maar dat het onmogelijk is om rechtstreeks onder het steroppervlak te kijken. ‘Arthur Eddington (een groot Brits sterrenkundige, red.) zei meer dan vijftig jaar geleden dat de moeilijkst te observeren gebieden in het universum diep binnen in sterren liggen. Vandaag geldt zijn uitspraak nog steeds.’

De voorbije decennia hebben astronomen zoals Beck wel een indirecte aanpak ontwikkeld. Door te kijken naar ritmische variaties in de helderheid is het toch mogelijk informatie te verkrijgen over het binnenste van sterren. ‘Deze variaties worden veroorzaakt door golven die zich diep in de sterren voortplanten, een techniek die we ‘asteroseismologie’ noemen.’

Rode reuzen

Beck bestudeerde voor zijn proefschrift rode reuzen. Dat zijn sterren die in hun laatste levensfase zijn beland, waarbij hun buitenste lagen zo sterk zijn uitgezet dat de sterren tot honderd keer groter zijn dan de zon. Tijdens dat uitzettingsproces zijn de buitenste lagen sterk afgekoeld, waardoor die sterren vooral rood licht uitzenden.

‘Maar in de lagen rond de kern van de rode reus gaat het kernfusieproces gewoon door’, zegt Beck. ‘De kern is samengetrokken tot een extreem hete en samengeperste omgeving – althans, dat vertellen ons de theoretische modellen over sterdynamica.’

De variaties in de helderheid van rode reuzen worden veroorzaakt door iets wat astronomen ‘stertrillingen’ noemen. Die trilsignalen zijn zo klein dat het bijna onmogelijk is om ze waar te nemen van op de grond. Pas sinds 2009, met de komst van ruimtetelescopen zoals Kepler en Corot, konden deze trillingen intensief worden bestudeerd.

‘Tot voor kort was men ervan overtuigd dat de trillingen niet tot in het absolute binnenste van de ster doordringen, tot daar waar zich de kern bevindt. Groot was onze verbazing toen we een tweede soort trillingen vonden die wél tot in de kern reikten’, zegt Beck. Deze ontdekking, uit 2011, leverde Beck en z’n collega’s een eerste grote publicatie op, in Science. ‘De ontdekking openbaarde een verre, exotische plek in het universum die tot nu toe verborgen was gebleven.’

De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA lanceerde de Kepler-telescoop in 2009 met één hoofddoel: exoplaneten vinden in de ‘bewoonbare zone’ rondom verre sterren. Zo’n ‘bewoonbare’ planeet bevindt zich op de juiste afstand van zijn ster om vloeibaar water te kunnen bevatten. Maar exoplaneten zenden natuurlijk geen licht uit dat ons kan bereiken, en dus kijkt de telescoop in de eerste plaats naar sterren.

Beck: ‘De telescoop is constant gericht op een gebied aan de sterrenhemel in het sterrenbeeld Zwaan. Als er voor een van de sterren een planeet schuift, zorgt dat voor zeer kleine, maar periodieke variaties in de helderheid van de ster.’ Kepler kon in z’n eerste operationele jaar, in 2010, op die manier al meer dan honderdvijftig planeten identificeren.

Maar omdat Kepler dus kijkt naar variaties in de helderheid van sterren, kan hij ook voor andere doeleinden gebruikt worden. ‘Wij vroegen ons af of de telescoop de variaties in de helderheid in rode reuzen kon waarnemen. En jawel, dat bleek te lukken. Op basis van vier jaar waarnemingen konden we variaties en de daaraan verbonden stertrillingen detecteren in maar liefst vijftienduizend rode reuzen.’

Snellere rotatie

Beck analyseerde verschillende sterren tot in de kleinste details. ‘We ontdekten dat trillingen die diep doordringen in het binnenste van rode reuzen een snellere rotatie ervaren.’ Uit Becks analyse bleek dat de kern van de rode reuzen minstens tien keer zo snel roteert als de buitenste lagen. Een ontdekking van formaat, gezien daarvóór nauwelijks iets bekend was over de interne dynamiek van dit soort sterren dat ook experimenteel was geverifieerd. Het leverde het team van Paul Beck een tweede gerenommeerde publicatie op, dit keer in Nature.

De ontdekking leert ons meer over hoe de zon – onze eigen ster – oud zal worden. Maar Becks interesse blijft toch in de eerste plaats uitgaan naar rode reuzen. ‘Mijn onderzoek richt zich vooral op de late fases in het leven van sterren. Rode reuzen komen ook voor als dubbelsterren. Het is zeer interessant om uit te zoeken of zij zich anders gedragen dan de enkelvoudige sterren.