Astronomen leggen sterrenwinden vast in ongekend detail

Voor het eerst hebben astronomen een antwoord gevonden op de vraag hoe planetaire nevels hun betoverende vormen krijgen. De ontdekking is het resultaat van de grootste en meest gedetailleerde reeks waarnemingen van sterrenwinden rond koele geëvolueerde sterren tot nu toe.

Het team ontdekte dat sterrenwinden, in tegenstelling tot wat algemeen wordt aangenomen, niet bolvormig zijn. In plaats daarvan vertonen de vormen gelijkenissen met die van planetaire nevels. Die bevinding leidde tot de conclusie dat eenzelfde proces aan de basis ligt van de winden van zowel koele geëvolueerde sterren als planetaire nevels. De onderzoeksresultaten verschenen in het tijdschrift Science.

BEKIJK HET INTERVIEW MET LEEN DECIN 

Stervende sterren zwellen op en koelen af om uiteindelijk rode reuzen te worden. Ze produceren sterrenwinden, stromen van deeltjes die de ster uitstoot, waardoor ze massa verliezen. Aangezien astronomen niet over gedetailleerde waarnemingen beschikten, gingen ze ervan uit dat deze sterrenwinden bolvormig zijn, net als de sterren waarrond ze voorkomen. Naarmate de ster verder evolueert, wordt ze weer heter en zorgt de stellaire straling ervoor dat de uitdijende uitgestoten lagen stellair materiaal beginnen te gloeien. Dat proces vormt op zijn beurt een planetaire nevel. 

Astronomen tastten eeuwenlang in het duister over de buitengewone verscheidenheid aan kleurrijke vormen die bij deze planetaire nevels werd waargenomen. Ze lijken allemaal een zekere symmetrie te bezitten, maar zijn bijna nooit rond. "De Zon, die uiteindelijk een rode reus zal worden, is zo rond als een biljartbal, dus we vroegen ons af hoe zo’n ster al die verschillende vormen kan creëren", zegt professor Leen Decin van de KU Leuven, hoofdauteur van de studie. 

Het team observeerde de sterrenwinden rond koele rode reuzen met het ALMA-observatorium in Chili, de grootste radiotelescoop ter wereld. 

Het team observeerde de sterrenwinden rond koele rode reuzen met het ALMA-observatorium in Chili, de grootste radiotelescoop ter wereld. Ze maakten een grote, gedetailleerde verzameling van observaties, iets wat tot dan toe nog nooit gebeurd was. Alle observaties werden ook volgens dezelfde methode gemaakt, wat cruciaal was om de waarnemingen te kunnen vergelijken en afwijkingen uit te sluiten. 

Wat de astronomen zagen, kwam als een verrassing. "We zagen dat deze sterrenwinden allesbehalve symmetrisch of rond waren", zegt professor Decin. "Enkele ervan waren qua vorm eigenlijk vrij gelijkaardig aan planetaire nevels."

Metgezellen

De astronomen konden zelfs verschillende categorieën van vormen onderscheiden. "Sommige sterrenwinden waren schijfvormig, andere bevatten spiralen en in een derde groep konden we kegels onderscheiden." Dat was een duidelijke aanwijzing dat de vormen niet willekeurig zijn ontstaan. Het team kwam tot de realisatie dat andere lichte sterren of zelfs zware planeten in de buurt van de stervende ster de verschillende patronen veroorzaken. Die metgezellen zijn te klein en te zwak om ze meteen te kunnen onderscheiden. "Net zoals je in een tas koffie met wat melk een spiraalvormig patroon kan creëren met je lepel, zuigt de metgezel materiaal naar zich toe terwijl hij rond de ster draait en vormt zo de sterrenwind", legt Decin uit.

Het team zette deze theorie om in modellen, waaruit inderdaad bleek dat de vorm van de sterrenwinden verklaard kan worden door de metgezellen die errond draaien. De snelheid waarmee de koele geëvolueerde ster haar massa verliest door de sterrenwind is daarbij een belangrijke parameter. Decin: "Al onze waarnemingen kunnen verklaard worden door het feit dat de sterren een metgezel hebben." 

De vorm van de sterrenwinden kan verklaard worden door de metgezellen die errond draaien. De snelheid waarmee de koele geëvolueerde ster haar massa verliest door de sterrenwind is daarbij een belangrijke parameter. 

Tot nu toe waren berekeningen over de evolutie van sterren gebaseerd op de veronderstelling dat ouder wordende zonachtige sterren bolvormige sterrenwinden hebben. "Onze bevindingen veranderen heel wat. Aangezien er in het verleden geen rekening werd gehouden met de complexiteit van sterrenwinden, kan elke eerdere schatting van het massaverlies van oude sterren tot een factor 10 verkeerd zijn." Het team doet nu verder onderzoek naar de mogelijke impact van hun bevinding op berekeningen van andere cruciale eigenschappen van stellaire en kosmische evolutie.

De toekomst van de Zon

Dankzij de studie krijgen we ook een idee van hoe de Zon er over 7000 miljoen jaar zou kunnen uitzien wanneer ze sterft. "Jupiter of zelfs Saturnus zullen, doordat ze zo’n grote massa hebben, mee bepalen of de Zon haar laatste millennia doorbrengt in het hart van een spiraal, een vlinder of een van de andere betoverende vormen die we vandaag bij planetaire nevels zien", merkt Decin op. "Onze berekeningen tonen nu aan dat er zich een zwakke spiraal zal vormen in de sterrenwind van de oude stervende Zon."

"We waren erg enthousiast toen we de eerste beelden bekeken", zegt coauteur Miguel Montargès (KU Leuven). "Elke ster, die tot daarvoor slechts een nummer was, werd een individu op zich. Voor ons hebben ze nu hun eigen identiteit. Dat is de magie van zulke nauwkeurige waarnemingen: sterren zijn niet langer slechts een puntje in de hemel."

De studie maakt deel uit van het ATOMIUM-project, waarmee onderzoekers meer te weten willen komen over de fysica en chemie van oude sterren. "Koele, ouder wordende sterren worden gezien als saai, oud en eenvoudig, maar hiermee hebben we bewezen dat ze dat niet zijn: ze vertellen het verhaal van wat komen zal. Het duurde even voor we doorhadden dat sterrenwinden de vorm van rozenblaadjes kunnen aannemen (zoals de sterrenwind van R Aquilae bijvoorbeeld), maar zoals Antoine de Saint-Exupéry zei in Le Petit Prince: ’C’est le temps que tu as perdu pour ta rose, qui fait ta rose si importante’ - ’Alle tijd die je aan je roos besteed hebt, maakt je roos juist zo belangrijk’", besluit Decin.

Meer informatie

De paper "(Sub-)stellar companions shape the winds of evolved stars" van Leen Decin et al. is gepubliceerd in Science ( abb1229). Dit onderzoek werd onder meer gefinancierd door het FWO en ERC. 

Lees meer over de ALMA-telescoop.