De ALMA-telescoop is regelmatig in het nieuws: deze maand nog met beelden van samensmeltende sterrenstelsels en metingen van de temperatuur van de ringen van Uranus. Maar kan ALMA ons ook vertellen hoe sterren ontstaan? Waarom is submillimeter-straling zo nuttig? Astronoom Floris van der Tak legt het uit.
De sterren die wij aan de nachthemel zien zijn er niet altijd geweest, en ze zullen er niet altijd blijven. Sterren zoals de zon doven uit na een paar miljard jaar schijnen, terwijl massieve (‘zware’) sterren, zoals die in het sterrenbeeld Orion, al na een paar miljoen jaar ontploffen als een supernova. Aan de andere kant komen er ook sterren bij: in onze Melkweg ongeveer drie per jaar. Dit gebeurt in koude, donkere wolken van gas en stof die zich tussen de sterren bevinden. Een mooi voorbeeld van zo’n wolk is de Paardekopnevel in Orion zoals hieronder afgebeeld.
De Paardekopnevel in zichtbaar licht (links): mooi scherp, maar het gebied waar het om gaat is donker. Op submillimeter-golflengten (rechts) is de wolk helder, maar is het beeld onscherp. Wat we nodig hebben is de scherpte van links met de helderheid van rechts.
Geschiedenis van het heelal
Sterren zijn niet alleen mooi om naar te kijken, maar ze spelen ook een belangrijke rol in de geschiedenis van het heelal. Dat begon al met de allereerste sterren, ongeveer 13 miljard jaar geleden: die hebben het gas tussen de sterrenstelsels geïoniseerd, waardoor het heelal doorzichtig is geworden. Bovendien produceren sterren tijdens hun leven elementen zoals koolstof, silicium en ijzer, die nodig zijn om planeten te vormen. En last but not least vormen sterren een stabiele bron van warmte die het ontstaan van leven mogelijk maakt.
Je zou denken dat van zoiets moois en belangrijks als sterren goed bekend is hoe ze ontstaan, maar dat valt nogal tegen. We weten dat het gas tussen de sterren niet homogeen verdeeld is, zoals mist, maar geconcentreerd, zoals wolken. De zwaartekracht laat die wolken ‘instorten’ tot ze zo klein en heet worden dat ze licht gaan uitstralen. Wij zien ze dan als ster. Daarbij neemt het gas de vorm van een schijf aan en uit deze schijf ontstaan later planeten.
Maar we weten bijvoorbeeld niet waarom de meeste sterren ongeveer zo zwaar zijn als de zon, maar sommige veel zwaarder. En ook niet waarom sommige sterren alleen vormen, maar de meeste in groepjes. De samenstelling van meteorieten doet vermoeden dat de zon ook in een groepje is ontstaan, alleen lijkt dit groepje spoorloos verdwenen.
Een ander licht
Om erachter te komen hoe sterren ontstaan, bestuderen astronomen de wolken waar dat gebeurt. Doordat doordat die wolken koud en donker zijn, is er op foto’s gemaakt met normale, optische telescopen niets te zien. Om het binnenste van zulke wolken te bekijken, hebben we langgolvig licht nodig, ideaal met golven tussen de 1,0 en 0,1 mm groot. Dit zogenoemde submillimeter-gebied ligt op de grens tussen radiostraling en infrarood licht.
De ALMA-telescoop staat op 5000 meter hoogte op de grens van Chili en Argentinië, en bestaat uit 66 antennes. (Foto: ESO/ B. Tafreshi)
Wat is ALMA?
Telescopen voor submillimeter-straling bestaan sinds de jaren 80, maar het probleem is dat ze niet scherp genoeg zijn. De golven zijn duizend keer zo lang als bij gewoon licht, en om even scherpe foto’s te maken zou je telescoop ook duizend keer zo groot moeten zijn. Dat is technisch en financieel onmogelijk. Voor de ALMA-telescoop is daarom voor een ander concept gekozen: een zwerm van 66 antennes op onderlinge afstanden tot 16 km. Uit de verschillen tussen de signalen die al die antennes opvangen, reconstrueren computers beelden van de hemel die zelfs scherper zijn dan die van de Hubble-ruimtetelescoop.
De ALMA-telescoop staat in de Atacama-woestijn in Noord-Chili, waar de lucht heel ijl, stil, en droog is: ideaal voor het opvangen van submillimeter-golven. Het bouwen van de ALMA-telescoop was een enorme klus, waaraan vele landen hebben bijgedragen. Japan, Zuid-Korea en Taiwan, Chili, Canada en de VS, en uit Europa zestien landen verenigd in de organisatie ESO. ALMA is sinds 2011 in gebruik, en wat heeft hij ons geleerd over de vorming van sterren?
De proto-dubbelster L1448 bij 1.3 mm golflengte, met ALMA waargenomen door John Tobin. (Bron: ALMA)
Enkel of dubbel
Voor astronomen was een belangrijk raadsel waarom veel sterren niet in hun eentje ontstaan, maar als duo, trio, of nog groter groepje. Waarnemingen zoals in de figuur hierboven werpen een nieuw licht op die vraag. We zien hier een dubbelster in wording: twee heldere punten omgeven door een spiraal-achtige structuur. De rechter van de twee punten lijkt zelf uit twee delen te bestaan, dus misschien wordt dit een driedubbele ster. De spiraalstructuur eromheen laat zien dat de stofschijf instabiel is geworden en in stukjes uitvalt, waaruit dus afzonderlijke sterren ontstaan.
ALMA ziet koolmonoxide-gas in een stervormingsgebied in het sterrenbeeld Serpens (Slang), waargenomen door Adele Plunkett. (Bron: ALMA)
Een ander interessant resultaat betreft de manier van ‘eten’ van jonge sterren. Een ster zoals de zon weegt ongeveer tweeduizend miljard miljard miljard kilo. Al dit materiaal moet op één plek worden samengebracht. De foto hierboven van een stervormingsgebied in het sterrenbeeld Slang, laat zien dat dit proces niet gelijkmatig verloopt. De twee ‘rookpluimen’ zijn niet glad maar korrelig, waaruit we leren dat babysterren niet continu eten krijgen (zoals bij sondevoeding) maar in hapjes (met de paplepel). De jonge ster eet gemiddeld twee miljoen miljard miljard kilo gas per jaar. Na een miljoen jaar is hij klaar met eten en kan aan zijn stralende leven beginnen.
Meten van gasstromen
Een vraag waar astronomen ook mee zaten, was waarom niet alle sterren even groot zijn. De meeste zijn ongeveer zo zwaar als de zon, maar soms ontstaat er eentje die wel 10 tot 100 keer zo zwaar is. Deze zware sterren geven naar verhouding heel veel licht, en hebben daardoor een groot effect op hun omgeving. Dus astronomen willen graag weten hoe zij ontstaan. Ongeveer zoals gewone sterren, of heel anders, bijvoorbeeld door het samensmelten van twee kleinere sterren?
Ook voor deze vraag kunnen we de ALMA-telescoop goed gebruiken. Behalve scherpe foto’s maken, kan ALMA namelijk ook heel goed de snelheden van gasstromen meten. Dit gaat met het Dopplereffect, bekend van de ambulance waarvan de sirene hoger klinkt als hij naar je toe rijdt en lager als hij van je vandaan rijdt. Bij licht verandert de kleur: het wordt roder in gasstromen van ons af, en blauwer in stromen naar ons toe. In tegenstelling tot hoorbaar geluid kun je dit effect bij licht niet makkelijk zelf zien. Dat komt omdat licht veel sneller gaat dan geluid. Daarom zien we de bliksem voordat we de donder horen. Maar waar wij een supersonisch vliegtuig van 300 m/s al heel snel vinden, zijn voor sterren snelheden van 10 tot 100 km/s heel gewoon.
Gasstromen rondom de zware ster AFGL 4176, gemeten met ALMA door Kathrin Johnstone (Bron: ALMA)
De afbeelding hierboven laat de snelheden in het gas rondom een jonge zware ster zien. Blauw is naar ons toe, rood is van ons af. De zwarte contouren geven de verdeling van het stof aan dat met het gas vermengd is. Het meeste stof zit onderin, en daar beweegt het gas links naar ons toe en rechts van ons af. Het object draait dus. Waarschijnlijk is het net zo’n schijfstructuur als rondom jonge zon-achtige sterren. We leren van deze meting dat zware sterren in principe net zo ontstaan als normale sterren, alleen eten ze sneller.
Nieuwe plannen
Voor een telescoop van acht jaar oud heeft de ALMA-telescoop al heel veel ontdekt. De mogelijkheid om in te zoomen op koude donkere wolken heeft ons veel geleerd over hoe sterren ontstaan. Toch kan ook ALMA niet alles. De telescoop is vooral goed om op individuele objecten in te zoomen, ofwel het maken van ‘portretten’. Om vele objecten met elkaar te vergelijken (groepsfoto’s) is uitzoomen juist beter, en dat kunnen andere telescopen goed. Verder zijn allerlei belangrijke stoffen en gassen, bijvoorbeeld water, niet zichtbaar vanaf de grond, vanwege onze eigen atmosfeer. Om deze redenen is de NASA hard bezig met de ruimtetelescoop James Webb, die in 2021 wordt gelanceerd.
In Europa en Japan zijn de ruimtevaartorganisaties ESA en JAXA intussen bezig aan hun eigen ruimtetelescoop SPICA. Sinds ik daar mijn vorige blog over schreef, heb ik daarover een conferentie georganiseerd. Afgelopen mei kwamen op Kreta ruim 160 astronomen van over de hele wereld hun plannen uiteenzetten wat zij met SPICA allemaal willen gaan doen. Er valt nog veel te ontdekken.
Fotocredits:
Hoofdfoto: Clem & Adri Bacri-Normier (wingsforscience.com)/ESO.
De illustraties zijn afkomstig van ALMA Science/ESO.
