Drievoudig stersysteem trekt planeetvormende schijf krom

Jarenlange observaties tonen het verwoestend effect van een meervoudig stersysteem op de planeetvormende schijf eromheen. Onderzoek naar het stersysteem GW Orionis levert aanwijzingen op voor een nieuwe populatie van exoplaneten.

Foto: De ringstructuur in de schijf rond GW Orionis

Vijfentwintig jaar geleden was de ontdekking van een exoplaneet – een planeet buiten het zonnestelsel – nog wereldnieuws. Intussen staat de teller op meer dan 4000 bevestigde exemplaren en is iedere sterrenkundige ervan overtuigd dat dit nog maar het topje van de ijsberg is.

Het proces van planeetvorming is in grote lijnen bekend. Uit een oorspronkelijke wolk van gas en stof ontstaat een ster. Het resterend materiaal nestelt zich in een schijf, loodrecht op de draairichting van de jonge ster. Dichtheidsfluctuaties doen het materiaal in deze ‘protoplanetaire’ schijf lokaal samenklonteren. Hieruit ontstaan uiteindelijk planeten die zich allemaal in hetzelfde baanvlak bevinden.

Meervoudige stersystemen

Maar minstens de helft van de sterren heeft één of meer begeleiders. Wat gebeurt er in dat geval met die protoplanetaire schijf? Dat is waar GW Orionis in het verhaal komt. Dit systeem bestaat uit drie sterren, die zich niet in hetzelfde vlak bevinden. Omdat het om jonge sterren gaat, is hun schijf nog prominent aanwezig.

Een internationaal team van astronomen, waaronder Jacques Kluska en Cyprien Lanthermann van het Instituut voor Sterrenkunde van de KU Leuven, volgt dit systeem reeds sinds 2008. Waarnemingen met de Very Large Telescope (VLT) van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) en de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) tonen het verwoestend effect van deze stellaire ménage à trois op de schijf. De schijf is vervormd en opgebroken in verschillende ringen.

Computersimulaties

Het aardige van het onderzoek, dat vorige week in Science verscheen, is dat de wetenschappers de waargenomen verscheuring van de schijf ook theoretisch kunnen verklaren. Computersimulaties tonen hoe de zwaartekrachtsdans van de drie sterren de schijf inderdaad laat uiteenvallen in verschillende ringen, waarbij zelfs de vorm van de binnenste ring overeenkomt met de observaties.

De interesse van de onderzoekers gaat vooral uit naar de binnenste ring. Die staat gekanteld ten opzichte van de oorspronkelijke stofschijf. Teamleider Stefan Kraus, hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Exeter: ‘Onze beelden tonen een extreem geval waarbij de schijf niet plat is, maar kromgetrokken, en een ring vertoont die zich uit de schijf heeft losgemaakt’.

Rechts: de binnenste ring werpt een schaduw over de rest van de schijf. Links: een artistieke impressie van het centrale deel van de schijf, inclusief de ring (zie ook onderstaande video om dit in een animatie te zien).

Nieuwe klasse exoplaneten

De onderzoekers leidden uit hun waarnemingen af dat er voor 30 aardmassa’s stof aanwezig is in die binnenste ring. Meer dan genoeg om enkele exoplaneten uit te boetseren. Die zouden een specifiek profiel hebben, aangezien ze op wijde, gekantelde banen bewegen. De jacht op de exoplaneten rond GW Orionis is daarmee geopend.

GW Orionis zou dan model kunnen staan voor een wellicht vaker voorkomend verschijnsel in het heelal. Het team rond Kraus hoopt op de Extremely Large Telescope, de opvolger van de VLT die rond 2025 in werking moet treden, om deze mogelijke nieuwe klasse van exoplaneten verder te exploreren.

Deze ster is de nieuwe snelheidsduivel van de Melkweg

Opgezweept door een kolossaal zwart gat, racen sterren om het hardst rond het centrum van de Melkweg. De nieuwe snelheidskampioen luistert naar de naam S4714 en haalt een topsnelheid van 24.000 km per seconde. Dat is 8% van de lichtsnelheid.

Vijf nieuwe sterren bij Sgr A* ontdekt, waaronder twee mogelijke 'squeezars': Het groen kruis duidt de ligging aan van SgrA*. Tot vorig jaar was S2 de snelst bekende ster. Intussen zijn sterren gevonden die nog dichter bij het centrum van de Melkweg staan en er nog sneller rond draaien.

Veel sterrenstelsels herbergen een knoert van een zwart gat in het centrum. Zo ook onze eigen Melkweg. Het object staat bekend als Sagittarius A* (de “*” mag je uitspreken als “ster”), of kortweg Sgr A*, met een massa van 4 miljoen keer die van de zon. In vergelijking met andere sterrenstelsels houdt ons monster zich behoorlijk gedeisd. Maar het houdt wel een heleboel sterren gevangen in een krachtig gravitatieveld. Die macabere dans van de sterren en het zwart gat maakt het ook interessant om de theorie van squeezars te toetsen en de relativiteitstheorie nog maar eens op de pijnbank te leggen.

Moeilijke klus

Een Duits onderzoeksteam van de Universiteit van Keulen onder leiding van sterrenkundige Florian Peissker heeft zich toegelegd op de studie van deze sterren, die in een sterk uitgerekte ellipsvormige baan om Sgr A* draaien. Dat is een hele klus, want de buurt rond het centrum van de Melkweg is behoorlijk dichtbevolkt en bovendien belemmeren stofwolken het zicht.

Maar met een goede telescoop, verfijnde technieken om gegevens te analyseren en engelengeduld kom je al een heel eind ver. Peissker: ‘Ik ben blij dat ik de afgelopen 7 jaar het centrum van de Melkweg heb kunnen bestuderen met de Very Large Telescope. Je moet bedreven zijn in datareductie, een scherpziend oog hebben, en verder een snuifje geluk en veel tijd’.

Nieuwe snelheidskampioen

Intussen is het oogsten begonnen voor Peissker en zijn collega’s. Vorig jaar veegden ze de ster S2 van de recordtabel. Met een snelheid van 3% van de lichtsnelheid moest ze de duimen leggen tegen S62, die een snelheid van 6,7% van de lichtsnelheid haalt. Deze maand was het hek helemaal van de dam: in een publicatie in The Astrophysical Journal stelt de groep rond Peissker in één trek maar liefst vijf snellere sterren voor.

De nieuwe recordhouder heet S4714, rond Sgr A* scherend aan 8% van de lichtsnelheid. Ter vergelijking: de zon draait met een snelheid van 230 km/s rond het centrum van de Melkweg, S4714 gaat met 24.000 km/s zowat 100 keer sneller. Maar Peissker maakt zich sterk dat ook de kampioenenstatus van S4714 van tijdelijke aard zal zijn.

Ideaal testmateriaal

De ontdekking van dit soort snelheidsduivels opent de weg naar interessante wetenschappelijke tests. In 2003 voorspelden sterrenkundigen op theoretische grond het bestaan van “squeezars”. Deze sterren draaien in een sterk elliptische baan om een supermassief zwart gat – check – waarbij de getijdenwerking van het zwart gat per rondje wat baanenergie uit de ster knijpt en omzet in warmte. Anders uitgedrukt, een squeezar begint wat feller te schijnen, maar is gedoemd om richting monster te spiraleren.

Meer nog dan S4714 is een andere van die vijf, S4711 een topkandidaat squeezar. Als de bevestiging volgt, leren sterrenkundigen bij over de interactie tussen zwarte gaten en hun stellaire prooi.

Daarnaast kan je met dit soort sterren nog scherpere tests van de algemene relativiteitstheorie uitvoeren. De vroegere kampioen S62 bevestigde alvast Einsteins theorie, maar de nieuwe helden zoals S4711 en S4714 laten in de nabije toekomst nog scherpere tests toe.

Peissker laat zijn Melkwegcentrum alvast niet meer los: ‘Deze dynamische omgeving is voor wetenschappers als een snoepwinkel voor kinderen’.

Ongrijpbaar licht ‘temmen’, Brusselse wetenschappers lukte het

Onderzoekers van de Vrije Universiteit Brussel en Harvard University zijn er voor het eerst in geslaagd om nabije-veld licht, dat is licht dat aan oppervlakten blijft kleven, vorm te geven.

Wanneer het over onzichtbaar licht gaat, denk je spontaan aan licht met golflengten die buiten het gebied van het zichtbaar licht vallen, zoals ultraviolet, infrarood, microgolven of X-stralen. Maar er bestaat ook licht dat we niet zien omdat het ons oog nooit bereikt. Neem bij voorbeeld een spiegel. Hoe perfect je die ook maakt, er blijft steeds een klein restje van de invallende straling kleven aan de het spiegeloppervlak. Dit heet het nabije-veld licht. Je kan het vergelijken met de druppeltjes die aan de wand van je glas blijven plakken nadat je het leeggedronken hebt.

Een klein effect met groot toepassingsbereik

Het klinkt als een leuk weetje, maar het is veel meer dan dat. Wanneer je de wereld van het allerkleinste wil onderzoeken met een optische microscoop, kan je geen structuren bestuderen die kleiner zijn dan de golflengte van het licht van je microscoop. Of als je licht door een optische vezelkabel wil jagen, moet de diameter ervan minstens even groot zijn als de golflengte van het licht.

Met het nabije-veld licht kan je deze beperkingen evenwel omzeilen en informatie vergaren op een schaal die kleiner is dan de golflengte. Daar wordt vandaag al handig gebruik van gemaakt in de ultrahoge-resolutiemicroscopie. Maar het potentieel is aanwezig voor een veel bredere waaier van toepassingen, gaande van deeltjesmanipulatie over optische communicatie en gegevensopslag tot moleculaire detectie die de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen faciliteert.

Belangrijke stap

Om dat potentieel te benutten, moet je dat nabije-veld licht wel kunnen sturen, net zoals je de ons vertrouwde lichtstralen manipuleert met lenzen, telescopen, prisma’s en hologrammen. Een groep onderzoekers heeft nu een flinke stap vooruit gezet op dat vlak. Op 24 juli publiceerden ze de resultaten van een nieuwe methode in Science.

‘Na elke stuitering verandert het licht van vorm en plant het zich voort met een ander ruimtelijk patroon’

Vincent Ginis, hoofdauteur en professor aan de Vrije Universiteit Brussel en gastprofessor aan Harvard legt uit: ‘We ontwikkelden een component waarin licht doorheen een golfgeleider beweegt. Hierin stuitert het licht heen en weer. Na elke stuitering verandert het licht van vorm en plant het zich voort met een ander ruimtelijk patroon. Wanneer alle verschillende patronen van het nabije-veld licht over elkaar heen worden gelegd, ontstaat er een specifieke vorm.’

Het nabije-veld licht gestructureerd in de vorm van een olifant in een boa-constricor. Of was het een hoed?

Die specifieke vorm laat zich voorprogrammeren door de amplitude van de fase van het stuiterende licht aan te passen. Ginis: ‘Het is een beetje als muziek. De muziek die je hoort bestaat uit een rij van vele noten die door een componist in patronen zijn samengevoegd. Het geluid van één noot alleen is erg vlak, maar met veel noten samen kun je prachtige muziek genereren. Terwijl muziek in de tijd werkt, werkt onze licht-component in een driedimensionale ruimte. Het extra intrigerende aspect van onze techniek is dat de ene noot als het ware de andere genereert.’

Met een knipoog naar Le Petit Prince structureerden Ginis en zijn collega’s het nabije-veld licht in de vorm van een olifant in een boa-constricor. Of was het een hoed?

Dit is de eerste foto van een zonachtige ster met planeten

Voor het eerst hebben sterrenkundigen een rechtstreeks beeld kunnen maken van een planetensysteem rond een ster die ongeveer dezelfde massa heeft als de zon.

TYC 8998-760-1 is een ster die zich op iets meer dan driehonderd lichtjaar van ons bevindt. We noemen ze ‘zonachtig’ omdat ze precies dezelfde massa heeft als de zon. Binnen het onderzoek naar exoplaneten gaat er steevast speciale aandacht uit naar sterren die zoveel mogelijk op de zon lijken. Per slot van rekening is het de enige ster waarvan we zeker weten dat ze een planeet heeft waarop leven voorkomt. TYC 8998-760-1 is wel een piepjonge versie van de zon: amper 16,7 miljoen jaar tegenover de 4,5 miljard jaar van onze zon.

Meerdere planeten rond een ster via directe waarneming strikken is heel zeldzaam

De meeste exoplaneten worden onrechtstreeks gedetecteerd, als een storing op de beweging van de ster of een periodieke dip in de hoeveelheid uitgestraald sterlicht. Maar als het even kan, neem je een exoplaneet toch liefst rechtstreeks waar. Dat lukt niet vaak, omdat het licht van een exoplaneet vele keren zwakker is dan het sterlicht. Meerdere planeten rond een ster via directe waarneming strikken is al helemaal zeldzaam.

Je hebt er immers niet alleen een krachtige telescoop voor nodig, ook de configuratie van het planetenstelsel is van belang. In het bijzonder heb je reuzenplaneten nodig die voldoende ver van de moederster staan. Een groep sterrenkundigen, waaronder Maddalena Reggiani, postdoctoraal onderzoeker aan de KU Leuven, keek met de Very Large Telescope (Chili) en zag dat TYC 8998-760-1 aan die voorwaarden voldoet. De exoplaneten TYC 8998-760-1 b en TYC 8998-760-1 c hebben 14 respectievelijk 6 keer de massa van Jupiter en bevinden zich op een (geprojecteerde) afstand van 160 respectievelijk 320 keer de afstand aarde-zon.

De ster TYC 8998-760-1 en de twee reuzenplaneten die haar begeleiden. Credits: ESO/Bohn et al.

Reggiani: “Ons team is erin geslaagd het eerste beeld te maken van twee gasreuzen die rond een jonge, zonachtige ster draaien”. Op de afbeelding bevindt de moederster zich linksboven (de ringen errond zijn een optisch artefact), TYC 8998-760-1 b links van het midden en TYC 8998-760-1 c, te zien als een rode stip, rechtsonder.

Alexander Bohn (Universiteit Leiden), die de studie leidde, vult aan: “Deze ontdekking is een momentopname van een omgeving die sterk gelijkt op ons zonnestelsel, maar dan in een pril evolutiestadium”. Beide gasreuzen zijn een soort oversized versie van Jupiter en Saturnus. Of TYC 8998-760-1 nog andere planeten bevat, is nog even koffiedik kijken. Maar wie wat geduld heeft kan wachten op de opvolger van de Very Large Telescope, de Extremely Large Telescope, die vanaf 2025 met nog scherpere blik naar TYC 8998-760-1 kan kijken.

Bohn, Reggiani en de overige leden van het team publiceerden hun resultaten op 22 juli in The Astrophysical Journal Letters.

Is tijd niet continu, maar korrelig?

Wat is tijd? Die vraag is hetzelfde lot beschoren als zo veel filosofische vragen: de wetenschap heeft er intussen gretig beslag op gelegd. Natuurkundigen onderzoeken onder meer de structuur ervan: verloopt tijd continu of vertoont ze een korrelige structuur? In het laatste geval bedraagt een tijdkorrel volgens Amerikaanse theoretische fysici hooguit 10-33 seconden.

Tot in het begin van de twintigste eeuw betwijfelde niemand dat er zoiets als een absolute klok bestaat. Dat is wat je intuïtief verwacht. Op elke gebeurtenis die zich voordoet in het heelal moet je (minstens in principe) ondubbelzinnig en objectief een tijdstempel kunnen kleven.

Maar intuïtie kan een slechte raadgever zijn in de moderne natuurkunde. Ze berust op het gedrag van de werkelijkheid op onze schaal, maar de natuur durft al eens tegenvoets te pakken op andere schalen.

Vervormbare tijd

Dat hebben we geweten toen Einstein op het toneel verscheen. Eerst met de speciale, daarna de algemene relativiteitstheorie. Tijd blijkt relatief en vervormbaar. Snelheid en massa kunnen tijd uitrekken of indrukken alsof het een stukje plasticine is. Een tweeling waarvan de ene terugkeert na een ruimtereis in een supersnelle raket, is niet meer even oud als de achtergebleven andere.

En de relativiteitstheorie heeft intussen al zoveel testen met glans doorstaan dat er niet aan te ontkomen valt.

… of toch niet?

Hoe vreemd is het dan niet dat dat andere succesnummer uit de natuurwetenschap, de kwantumfysica, tijd wel overal en altijd aan hetzelfde tempo ziet wegtikken? Is tijd nu relatief en vervormbaar of absoluut en universeel?

Over één aspect van tijd lijken relativiteitstheorie en kwantumfysica het wel eens: tijd stroomt. Het is een continue grootheid die alle waarden aanneemt tijdens het verstrijken.

Maar intussen is ook dat niet meer zo zeker.

Incompatibele theorieën

De spanning tussen relativiteitstheorie en kwantumfysica gaat dieper dan de vraag naar de aard van tijd. Verwoede pogingen ten spijt, raakt Einsteins theorie over zwaartekracht niet ingepast in het Standaardmodel van elementaire deeltjes, dat voortbouwt op de kwantumfysica. Nochtans zijn de voorspellingen van elk van beide theorieën afzonderlijk respectievelijk al honderd en vijftig jaar lang stuk voor stuk met haast griezelige nauwkeurigheid bevestigd.

Theoretische natuurkundigen zoeken daarom al een hele poos naar een alternatief om kwantumtheorie en gravitatie te verzoenen. Een mogelijke sleutel hiertoe zou erin bestaan om uit te gaan van een gekwantiseerde ruimtetijd.

Tijd is dan niet langer continu. Er zou een kleinste tijdseenheid bestaan, een tijdkorrel. De tijd gedraagt zich daarbij als de fysische versie van een mechanische klok. Zoals een mechanische klok seconde na seconde wegtikt, zou ook de tijd telkens naar een volgende waarde verspringen, in plaats van continu te verglijden.

Hoe groot is een tijdkorrel?

Garrett Wendel, Luis Martínez and Martin Bojowald, theoretische natuurkundigen verbonden aan de Pennsylvania State University, hebben dit concept van korrelige tijd verder uitgewerkt in een model1. Ze behandelen de tijd net als andere grootheden in de hedendaagse fysica: als een alomtegenwoordig veld. Bojowald: ‘Net als bij voorbeeld het higgsveld, kan de fundamentele klok interageren met de materie in het heelal en daardoor fysische verschijnselen wijzigen’.

Samen met zijn collega’s modelleerde hij de universele klok als een oscillator, die hij in het model koppelt met een tweede oscillator, die je in het lab kan meten, zoals een atoomklok. Door de koppeling beginnen beide oscillatoren langzaam te desynchroniseren, een effect dat volgt uit de relativiteitstheorie. Het onderzoeksteam kon hieruit afleiden dat de periode van de universele klok zeker niet langer kan zijn dan 10-33 seconden.

Als tijdkorreltjes inderdaad zo klein zijn, en tijd dus zo snel verspringt, is het normaal dat wij niets van die korreligheid merken. Net zomin als we bij een film in de gaten hebben dat we naar een snelle opeenvolging van statische beelden kijken.

Hersenspinsel of werkelijkheid?

Vaak is het probleem met dit soort fundamenteel theoretisch onderzoek dat je onmogelijk empirisch kan testen of de theorie het niveau van hersenspinsel overstijgt en ook echt de werkelijkheid beschrijft.

Maar op dit punt is de aanpak van ons trio uit Pennsylvania veelbelovend. Op zich kan je een snel tikkende klok met een periode van 10-33 seconden niet bestuderen in een lab. Nu niet, morgen niet en overmorgen niet. Maar door te kijken naar het effect van desynchronisatie op een gekoppeld systeem dat je wel in het lab kan onderzoeken, zoals een atoomklok, zou je er onrechtreeks toch informatie over kunnen vergaren langs experimentele weg.

1. verder uitgewerkt in een model In Physical Review Letters, 19 juni 2020.

CERN wil een nieuwe megaversneller bouwen

CERN wil een nieuwe megaversneller bouwen

Op 19 juni verleende de Raad van CERN unaniem haar goedkeuring aan de update van de Europese Strategie voor deeltjesfysica. Blikvanger in dit strategisch plan is de bouw van een heuse “higgsfabriek”, een superdeeltjesversneller van honderd kilometer lang die de huidige Large Hadron Collider (LHC) op termijn moet vervangen. Prijskaartje: 21 miljard euro.

Sinds 1975 beschikken we met het Standaardmodel van de elementaire deeltjesfysica over een theorie die de werking van de sterke, zwakke en elektromagnetische kracht beschrijft. Elke voorspelling die het model maakt, vindt experimentele bevestiging, soms met haast intimiderende precisie. De zeventien deeltjes elementaire deeltjes waaruit de werkelijkheid volgens het Standaardmodel is opgebouwd, werden, voor zover ze nog niet bekend waren, één na één ontdekt in de loop van de twintig jaar na de formulering van het Standaardmodel.

Hogere energieën

Behalve het higgsboson. Dat deeltje vervult een speciale rol. Er is een veld mee geassocieerd dat de hele ruimte vult en deeltjes die er vatbaar voor zijn als het ware massa verleent. Drie wetenschappers, waaronder de Belg Englert, hadden het bestaan ervan al in 1964 op theoretische grond voorspeld. De LHC, een ringvormige deeltjesversneller van 27 km lang, deels in Zwitserland gelegen, deels in Frankrijk, werd voornamelijk gebouwd om dit langverwachte, maar ongrijpbare deeltje te pakken te krijgen. Het CERN in Genève schreef dan ook geschiedenis toen het higgsdeeltje in 2012 daadwerkelijk ontdekt werd. François Englert en Peter Higgs hielden er in 2013 een Nobelprijs aan over (de derde, Robert Brout, is in 2011 helaas overleden).

Maar om het higgsboson meer in detail te kunnen bestuderen, wil de Raad van CERN nog hogere energieën opwekken. Vandaar het plan om een ring van 100 km te bouwen, waarin een elektron-positronversneller, de ‘higgsfabriek’, moet komen. Je zou dan geen jaren moeten speuren naar een higgsdeeltje, maar ze aan de lopende band kunnen produceren en bestuderen. De bouw ervan zou kunnen starten in 2038, wanneer de upgrade van de huidige LHC tot High-Luminosity LHC een jaartje of tien heeft kunnen draaien.

In een tweede fase zou er dan een proton-protonversneller komen om nog hogere energieën op te wekken. Die moet botsingsenergieën van 100 teraelektronvolt (TeV) opwekken, te vergelijken met de huidige 16 TeV van de LHC. Daarmee zouden we dan minstens nieuwe deeltjes moeten vinden, met een uitbreiding van het Standaardmodel tot gevolg. En wie weet stoten we zelfs op een nog diepere laag van de werkelijkheid, met echt nieuwe fysica tot gevolg.

‘Historische dag’

Ambitie en enthousiasme troef, dus. CERN-directeur Fabiola Gianotti was dan ook in haar nopjes na de gunstige stemming van de Raad: ‘Ik denk dat dit een historische dag is voor CERN en de deeltjesfysica’.

Voor het zover is, valt er evenwel nog veel uit te klaren op wetenschappelijk, technisch en financieel vlak. De huidige goedkeuring slaat ook enkel op de verdere uitwerking van het plan, de finale beslissing over de bouw van de nieuwe versneller is nog niet aan de orde. Het geschatte prijskaartje van 21 miljard euro zal het Europese CERN alvast nog meer naar een wereldwijde onderzoeksinstelling doen evolueren.

Maar niet iedere wetenschapper deelt de hoerastemming van de CERN-Raad. Onder meer de Duitse theoretische natuurkundige Sabine Hossenfelder, die wel vaker tegen de stroom durft in te gaan, plaatst een flinke kritische noot bij de megalomane plannen van het CERN. Dat heeft alles te maken met de niet ingeloste verwachting dat de LHC veel meer zou ontdekken dan het higgsdeeltje.

Het Standaardmodel is de beste theorie van de werkelijkheid die de mens ooit ontwierp, maar ze weet zich geen raad met de donkere energie en donkere materie in het heelal en krijgt de vierde natuurkracht, zwaartekracht, niet ingepast. De theoretici hadden na lang zwoegen een prachtige oplossing gevonden: supersymmetrie. Ieder deeltje zou een superpartner hebben, detecteerbaar door de LHC. Maar de LHC vond helemaal niets.

Moeten we ons niet eerst grondig beraden over de vraag waarom de wetenschappelijke machine stokt, vooraleer we duizelingwekkende bedragen uitgeven om in het wilde weg naar diepere lagen van de werkelijkheid te graven?

Superzware zwarte gaten in het jonge heelal

Een nieuwe theorie zou eindelijk kunnen verklaren hoe superzware zwarte gaten zich zo snel in het vroege heelal hebben gevormd.

Een jaar geleden veroorzaakte een astronomisch nieuwtje een wereldwijde deining in de media. Onderzoekers hadden een afbeelding gemaakt van het zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel M87. Of liever: van de grens rond het zwart gat waarbinnen niets nog kan ontsnappen, de waarnemingshorizon.

Vervolg: zie Eos Magazine, ed. 07-8, 2020

Kosmische ‘zaklamp’ spoort raadselachtige materie op

Zowat de helft van de zichtbare (‘baryonische’) materie onttrekt zich aan onze waarnemingen. Maar nu lijkt het ‘probleem van de verborgen baryonen’ opgelost. Met dank aan mysterieuze heldere, korte radioflitsen. En aan pientere astronomen die deze flitsen als kosmische zaklantaarn gebruikten. 

Eén van de meest fascinerende inzichten van de hedendaagse kosmologie is dat onze kennis over het heelal zich beperkt tot 5 procent ervan. Donkere energie gaat met 68 procent aan de haal, terwijl donkere materie goed is voor 27 procent van de energie-inhoud van onze kosmos. De aard van die donkere energie en donkere materie houdt kosmologen al geruime tijd uit hun slaap.

Iets minder bekend, maar daarom niet minder raadselachtig, is dat zelfs zowat de helft van die 5 procent tot dusver voor ons verborgen blijft. Het gaat om ‘normale’ – in het jargon baryonische – materie, waaruit niet alleen wijzelf, maar ook gaswolken, sterren, planeten, kometen en andere hemellichamen opgebouwd zijn.

Jean-Pierre Macqaurt, als hoogleraar radiosterrenkunde verbonden aan de Curtin University in Australië, J. Xavier Prochaska, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Californië in Santa Cruz  en hun collega’s zijn ervan overtuigd dat ze het ‘probleem van de verborgen baryonen’ nu opgelost hebben.

Gasslierten tussen sterrenstelsels als schuilplaats

Het aandeel van deze baryonische materie halen we uit schattingen op basis van de komische achtergrondstraling – de nagloed van de Oerknal – en onze theorie over de vorming van atoomkernen (nucleosynthese) in de beginfase van het heelal. Maar wanneer we de baryonische materie vervat in sterrenstelsels bij elkaar harken, vinden we dus beduidend minder dan verwacht.

Macquart: “We vonden nog niet de helft van wat er aan baryonische materie zou moeten zijn in het heelal. Behoorlijk pijnlijk. Maar de ruimte is dan ook bijzonder ijl. De ontbrekende baryonen komen overeen met één of twee atomen in een doorsnee kantoorruimte. Geen wonder dat je ze met traditionele technieken en telescopen niet detecteert.”

Het vermoeden dat de ‘verborgen baryonen’ zich in gasslierten tussen sterrenstelsels ophouden, kreeg de afgelopen jaren bevestiging door quasars, bronnen van X-straling en de kosmische achtergrondstraling als natuurlijke lichtbron te gebruiken. Zonder meer een mooi resultaat, maar bij elk van deze technieken krijg je slechts stukjes en brokjes van deze aandachtschuwe baryonen zien.

Fast Radio Bursts als kosmische zaklantaarn

Het team van Macqaurt en Prochaska heeft daar nu verandering in gebracht. Ze zijn er voor het eerst in geslaagd om een betrouwbare kwantitatieve schatting te maken van de hoeveelheid verborgen baryonen. Dat deden ze door gebruik te maken van Fast Radio Bursts (FRB’s)Dit zijn heldere lichtflitsen, afkomstig van buiten ons melkwegstelsel. Geen mens die weet wat aan de basis ligt van die gigantische energie-uitbarstingen die nauwelijks enkele milliseconden duren.

Maar in dit verhaal bewijzen ze ons een mooie dienst. De vermiste baryonen in de gasslierten tussen sterrenstelsels verstrooien het licht van de FRB’s als een prisma. Hoe meer materie het pad van de lichtflits kruist, hoe meer verstrooiing. Als je die verstrooiing meet en de afstand tot de bron van de FRB kan achterhalen, bekom je de dichtheid van de materie in de gasslierten. Dit lukte door de ASKAP-radiotelescoop in Australië te combineren met de Very Large Telescope in Chili.

Door dit procedé op een zestal FRB’s uit verschillende sterrenstelsels toe te passen, ontstaat volgens de onderzoekers een voldoende betrouwbaar beeld van de totale baryonische materiedichtheid in het heelal. Al had het voor andere astronomen toch net iets meer mogen zijn.

En het mag wel een keertje meezitten: de onafhankelijk verkregen meetwaarde is helemaal consistent met wat je verwacht op basis van de kosmische achtergrondstraling en de nucleosynthese in het vroege heelal. Het lijkt er dan ook op dat deze ‘opsporing verzocht’ na twintig jaar zijn beslag gekregen heeft.

De bevindingen zijn op 27 mei 2020 gepubliceerd in Nature.

Amerika herontdekt de ruimte met Crew Dragon-vlucht

Al wekenlang keek het ruimtevaartwereldje reikhalzend uit naar woensdagavond. Dan zou SpaceX, in samenwerking met de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA, voor het eerst een bemande ruimtevlucht lanceren. De lancering werd vanwege slechte weersomstandigheden op het laatste moment uitgesteld naar zaterdag. 

Dan hijsen de ervaren NASA-astronauten Robert ‘Bob’ Behnken en Douglas ‘Doug’ Hurley zich aan boord van de ruimtecapsule Crew Dragon. Testvlucht Demo-2 moet hen veilig naar het internationaal ruimtestation ISS loodsen. 

Als er één sterveling is die je niet voor grijze muis kan verslijten, moet het Elon Musk zijn. De ene dag haalt de ietwat excentrieke bezieler en CEO van SpaceX het nieuws door zijn zoon de onuitspreekbare naam X Æ A-Xii mee te geven, wenkbrauwenfronsende tweets te versturen of vrijuit over zijn functioneel drugsgebruik te praten. De andere dag vergapen we ons aan de haast gemillimeterde landingen van de raket Falcon 9 of aan de spectaculaire satelliettreintjes die hij rond de aarde brengt om ook de verste uithoeken van de wereld van internet te voorzien.

Tussendoor vervaardigt hij Tesla’s, waarvan er momenteel zelfs eentje in het zonnestelsel rondtoert, wil hij met een hyperloop (een soort vacuümtrein) en een tunnelnetwerk het mobiliteitsprobleem oplossen, pakt hij de klimaatopwarming aan met zonne-energie, beoogt hij met supersonische elektrische vliegtuigen een snellere en milieuvriendelijkere luchtvaart en droomt hij ervan Mars te koloniseren.

Douglas Hurley en Robert Behnken.

Een nieuw elan

Het hoeft dan ook niet te verbazen dat zijn SpaceX meteen op de kar sprong van NASA’s Commercial Crew Program, waarmee de Amerikaanse luchtvaartorganisatie zichzelf heruitvindt door de handen in elkaar te slaan met commerciële partners. Voor het eerst sinds de pensionering van de Space Shuttle in 2011, vertrekken er terug astronauten vanop Amerikaanse bodem naar de ruimte. In de afgelopen jaren moesten de VS steevast zitjes kopen op de Russische Soyoez-ruimtevaartuigen.

De generale repetitie vond plaats van 2 tot 8 maart 2019. Testvlucht Demo-1 deed toen ook al een retourtje Aarde-ISS met een Crew Dragon. Maar dat was met Ripley aan boord, een pop-in-astronautenpak. De Demo-2 met echte astronauten had daar in de loop van 2019 op moeten volgen. Maar op 20 april 2019 liep er iets fout tijdens een reeks motortesten, waardoor de eerste bemande testvlucht vertraging opliep.

Als het weer even meezit, is het deze keer echter wel prijs. Gezagvoerder Hurley, joint operations commander Behnken en de hele ploeg van medewerkers van SpaceX en NASA zijn er alvast helemaal klaar voor. De lancering vanop lanceercomplex 39A van het Kennedy Space Center in Florida stond gepland op woensdag, maar er werd uitgeweken naar zaterdag om 21:22 uur onze tijd.

Op zoek naar de vlag

Maar kijk deze keer niet uit naar de typische uitbundige taferelen bij een succesvolle missie, want ook de ruimtevaart ontsnapt niet aan de coronamaatregelen. De NASA heeft de ruimtevaartliefhebbers opgeroepen om niet naar de lanceerbasis af te zakken, maar de gebeurtenis social distancing-gewijs op het TV-kanaal van NASA te volgen.

Zowat 19 uur na de lancering moet de Crew Dragon bij het ISS aankomen en kunnen Hurley en Behnken na de koppeling met het ISS handjes schudden met de bemanning van het ruimtestation. Wanneer ze terugkeren, staat nog niet vast. Wat wel vaststaat, is dat ze de Amerikaanse vlag mee naar huis nemen. De Stars and Stripes werd in 2011 achtergelaten in het ISS door de bemanning van de laatste missie van NASA’s ruimteveer. Tekende toen ook reeds present: Doug Hurley.

Mijlpaal richting Mars?

Met de samenwerking tussen NASA en SpaceX slaan de Amerikanen drie vliegen in één klap. Ze hebben een alternatief nu het vertrouwen in Sojoez een knauw gekregen heeft na enkele incidenten met de capsule en raket. Daarmee breken ze ook de monopolypositie van de Russen om astronauten te vervoeren, wat zich vertaalde in een stevig prijskaartje per zitje. En tot slot is er uiteraard de herwonnen trots om niet langer op een andere mogendheid aangewezen te zijn.

En voor SpaceX zou het vooral een belangrijke mijlpaal betekenen, die Musks droom van een bemande missie naar Mars weer een stapje dichterbij brengt.

Nieuwe theorie verklaart raadselachtig ruimteobject ‘Oumuamua

Nee, het is geen ruimteschip van aliens, zoals de befaamde sterrenkundige Avi Loeb eerder opperde.

Het sigaarvormig object ‘Oumuamua dat in oktober 2017 door ons zonnestelsel flitste, is een brokstuk van een hemellichaam dat rond een andere ster draaide. En er te dicht bij kwam. Het hemellichaam werd aan flarden gerukt. Eén van de brokstukken, ‘Oumuamua, werd tot in ons zonnestelsel gekatapulteerd.

In ons zonnestelsel tref je een bont allegaartje van objecten aan in allerhande groottes en vormen. Maar al gauw werd duidelijk dat het object dat de STARRS1-telescoop op 20 oktober 2017 vanop een berg in Hawaï in het vizier kreeg, een echte vreemde snuiter was.

Ongeveer niets klopte aan dit droog object met rotsachtig oppervlak. De vreemde vorm, die aan een sigaar doet denken. De versnelde bewegingscomponent, kenmerkend voor kometen, die gas uitstoten en zo een stuwkracht krijgen als bij een raket. Maar in dit geval zonder de kenmerkende gasstaart. En de gekke tuimelbeweging die het maakt.

Eerste boodschapper van ver

Al snel groeide de consensus dat het een interstellair object moest zijn, afkomstig van een ander zonnestelsel. Vandaar de naam ‘Oumuamua, Hawaïaans voor ‘eerste boodschapper van ver’. De kans dat zo’n object ons zonnestelsel doorkruist, is echter zo gering dat sommigen er meer in zagen. Volgens de befaamde sterrenkundige Avi Loeb kon het best wel eens om een sonde van alienmakelij gaan.  

Maar in wetenschap is de spectaculairste verklaring doorgaans niet de juiste. En met ‘Oumuamua is het niet anders. Althans volgens een publicatie die op 13 april in Nature Astronomy verscheen.

Yun Zhang (National Astronomical Observatories of the Chinese Academy of Sciences) en Douglas Lin (University of California) vertrokken van een dynamisch model waarbij een hemellichaam in een ellipsbaan rond een ster draait.  Met behulp van computersimulaties konden ze daarmee een reconstructie maken van het wedervaren van ‘Oumuamua.

Rondtollen in de interstellaire ruimte

De film begint bij het oorspronkelijk hemellichaam dat op een bepaald ogenblik te dicht bij de ster nadert. Daardoor slaat de getijdenwerking van de ster ongenadig toe. De ster versplintert het hemellichaam door veel harder aan de dichtstbijgelegen kant te trekken dan aan de overzijde. Ze  rekt daarbij de brokstukken uit tot een sigaarvorm. Eén daarvan is onze ‘Oumuamua.

De simulaties laten zien hoe overblijfselen als ‘Oumuamua tijdens dit heftig proces van de ster weggekatapulteerd worden om zich chaotisch rondtollend een weg doorheen de interstellaire ruimte te banen. Het oppervlak van ‘Oumuamua, aanvankelijk gesmolten en gedroogd door de hitte van de ster, is intussen afgekoeld en gecondenseerd.

Zo vormt zich een stabiele, droge, rotsachtige korst, waarbinnen bepaalde gassen, zoals waterdamp, afgeschermd zitten. Tijdens de passage door het zonnestelsel ‘ontwaken’ ze door de warmte van de zon om via nauwelijks te detecteren uitgassing de waargenomen komeetachtige versnellingen verklaren.

Honderdduizend miljard “andere ‘Oumuamuas”

Rest nog de vraag hoe waarschijnlijk het is dat ‘Oumuamua net in onze buurt opduikt. Zhang: “Gemiddeld genomen zou elk planetenstelsel zowat honderdduizend miljard objecten zoals ‘Oumuamua in de ruimte moeten slingeren”. Dat duizelingwekkend aantal maakt het meteen een flink stuk aannemelijker dat er eens eentje ons zonnestelsel doorkruist.

De bevindingen van Zhang en Lin kunnen daarmee zowat alle kenmerken van ‘Oumuamua coherent verklaren vanuit die ene gebeurtenis, de te dichte nadering van het oorspronkelijk hemellichaam tot de ster. Dat hemellichaam kan volgens hun model eender welke grootte aannemen tussen een komeet en een planeet. Ook de ster kan net zo goed volop actief zijn als een uitgedoofde witte dwerg. Daarmee zou het mechanisme veelvuldig kunnen optreden.

Maar de toekomst moet nog uitwijzen in hoeverre ‘Oumuamua model staat voor andere interstellaire objecten. Sinds de ontdekking in 2017 zijn interstellaire objecten in één klap ‘hot’ geworden. In augustus 2019 werd een tweede interstellair object ontdekt, 2I/Borisov, de verwachting is dat er nog heel veel zullen volgen. Het moet in de toekomst zelfs lukken om er een sonde naar toe te sturen, zodat we een veel gedetailleerdere analyse kunnen maken.

De studie van interstellaire objecten moet uiteindelijk meer inzicht verschaffen in het ontstaan en de evolutie van planeetsystemen. En stiekem hopen we er natuurlijk ooit sporen met biologische signatuur op aan te treffen.