Belgische onderzoekers meten temperatuur in hart van rode reuzen Auteur: Luc De Roy

do 08/01/2015 - 02:23 Luc De Roy Belgische en Franse onderzoekers zijn er voor het eerst in geslaagd de temperatuur te meten in het hart van bepaalde sterren. Ze gebruikten daarvoor de verhouding tussen bepaalde isotopen. Ze konden ook vaststellen hoelang de sterren al bezig zijn met het synthetiseren van zware elementen.

In 1926 schreef de astrofysicus sir Athur Eddington dat het diepe binnenste van de zon en de sterren op het eerste gezicht minder toegankelijk is voor wetenschappelijk onderzoek dan om het even welk ander gebied in het universum. "Welk instrument kan door de buitenste lagen van een ster dringen en de omstandigheden in het binnenste meten?", zo vroeg hij zich af. Bijna 90 jaar later heeft zijn vraag een antwoord gevonden dankzij het werk van zes astrofysici van de Université Libre de Bruxelles en van de Université de Montpellier, in samenwerking met de Katholieke Universiteit Leuven. De studie is gepubliceerd in het vakblad Nature.

De onderzoekers bekeken hogeresolutielichtspectra van 23 sterren op het einde van hun evolutie, die ze verkregen hadden met de HERMES-spectograaf op de Mercator-telescoop van de KUL op La Palma. Het ging om 16 sterren van het S-type, rode giganten die in hun binnenste zware elementen synthetiseren door middel van het "slow neutron capture-proces" of s-proces, en 7 sterren van het M-type, gelijkaardige reuzensterren waarin echter geen s-proces plaatsvindt.

IJzer

De Big Bang, het ontstaan en het begin van de expansie van het universum 13,8 miljard jaar geleden, bracht voornamelijk de lichtste chemische elementen voort, waterstof en helium.

Belga

Bijna alle zwaardere elementen worden gevormd door sterren, en elementen zwaarder dan ijzer worden gesynthetiseerd door sterren die lijken op onze zon, maar dan in een vergevorderd stadium van hun evolutie, als ze rode reuzen geworden zijn. Onze zon zal dat stadium binnen zo'n 4 miljard jaar bereiken. In het binnenste van dergelijke sterren is het "slow neutron capture-proces" aan de gang, waarbij ijzeratomen neutronen vangen, en zo zwaardere elementen vormen, tot en met lood en bismut, de zwaarste stabiele elementen. Door convectiestromen komen die elementen ook aan het oppervlak van de sterren terecht.

De temperatuur waarbij dergelijke reacties plaatsvinden, is cruciaal: als de temperatuur hoger ligt dan 300 miljoen graden Kelvin, zijn de neutronen afkomstig van een reactie waarbij de neon 22-isotoop betrokken is, bij lagere temperaturen komen ze van de koolstof 13-isotoop. Uit onderzoek van primitieve meteorieten werd tot nu toe afgeleid dat het s-proces zich bij de hogere temperaturen afspeelde.

Isotopen

De onderzoekers concentreerden zich nu op een aantal isotopen, atomen met een afwijkend aantal neutronen in hun kern, namelijk de zirkonium 93-isotoop, die na 1,5 miljoen jaar vervalt tot een niobium 93-isotoop, en de technetium 99-isotoop, die na 210.000 jaar vervalt tot een ruthenium 99-isotoop.

Belga

Sterren vinden die in hun binnenste 1,5 miljoen jaar geleden dergelijke zware elementen geproduceerd hebben, is echter niet makkelijk. De rode reuzen doorlopen immers een voortdurende evolutie en na een dergelijke tijd zullen ze hun buitenste lagen afgeworpen hebben om hun leven te eindigen als bijna onvindbare witte dwergen, die geen spoor meer vertonen van de synthese van zware elementen.

Daarom kwamen de astrofysici op het idee om het voorkomen van de zware elementen te meten in sterren die deel uitmaken van dubbelster-stelsel, waarvan een van de twee sterren ooit een rode reus geweest was. Doordat die rode reus zijn buitenste lagen heeft afgestoten, heeft hij de andere ster in het stelsel "bevuild" met zware elementen, zodat die tweede ster sporen zal vertonen van de vroegere synthese van zware elementen. Daarbij zullen wel al de zirkonium 93-isotopen vervallen zijn tot niobium 93-isotopen. Hoeveel zirkonium er gevormd wordt in de vorm van zirkonium 93-isotopen hangt sterk af van de temperatuur, en de verhouding tussen de hoeveelheid isotopen (die intussen niobium geworden zijn) en gewoon zirkonium vormt een thermometer die de temperatuur geeft waarbij het zirkonium gevormd is in de rode reus.

Spectraallijnen

In de praktijk stelt men het relatieve voorkomen van de zware elementen op het oppervlak van een ster vast door spectroscopie, het analyseren van de spectraallijnen die een soort vingerafdruk vormen die atomen nalaten door hun interactie met licht.

Belga

Deze vingerafdrukken zijn aanwezig in het licht dat van de sterren komt en dus kan men vaststellen welke chemische elementen in welke hoeveelheden voorkomen op het oppervlak van de sterren.

Door die relatieve hoeveelheden te vergelijken met modellen over de evolutie van sterren, en met modellen over de nucleosynthese, de vorming van de kernen van zwaardere elementen uit lichtere, komen de onderzoekers tot de conclusie dat de temperatuur waarbij de zware elementen gevormd zijn, rond de 100 miljoen graden Kelvin ligt.

Dat betekent dat de bron van de neutronen bij het "slow neutron capture-proces" het koolstof 13-isotoop moet zijn, en niet het neon 22-isotoop, zoals gedacht werd op basis van het onderzoek van meteorieten.

Chronometer

De astrofysici maakten ook gebruik van de instabiliteit van de zirkonium 93-isotopen en de technetium 99-isotopen, die zoals gezegd respectievelijk na 1,5 miljoen jaar en 210.000 jaar vervallen tot niobium 93-isotopen en ruthenium 99-isotopen, op een andere manier. Ze maten het voorkomen van niobium en technetium in rode reuzen die momenteel volop deze elementen produceren. Door complexe mechanismen komen die elementen aan het oppervlak, waar ze, opnieuw door spectroscopie, waargenomen kunnen worden.

Op die manier hebben de onderzoekers kunnen vaststellen dat de rode reuzen 1 tot 3 miljoen jaar in de huidige fase van hun evolutie zitten, de fase waarin ze zwaardere elementen produceren. 

Ze stelden ook vast dat er een verband is tussen de ouderdom die gemeten werd en het "infrared excess" van dergelijke sterren. Infrared excess, het feit dat die sterren meer infrarood uitstralen dan men zou verwachten, is het resultaat van gas en stof dat wordt uitgestoten door de reuzenster. Hoe ouder een ster is, hoe meer men verwacht dat ze grote hoeveelheden materie uitstoot, en die correlatie is nu bevestigd door de waarnemingen. Dat is een belangrijke ontdekking, aabngezien infrared excess veel makkelijker gemeten kan worden dan het relatieve voorkomen van elementen als niobium of technetium. In de toekomst zal men dan ook het infrared excess kunnen gebruiken om de ouderdom van deze sterren te bepalen.