2004-04 MIRA Ceti sprak met... Hans Van Winckel

Lijkt sterrenkunde bij de warme bakker een weinig voor de hand liggende combinatie? Misschien wel, maar wat stond enige maanden geleden te lezen op de cover van ‘De Zondag’, dat krantje dat je op zondag gratis van bij de bakker kan meenemen? “Leuvense professor ontdekt mysterieuze sterrennevel”. Geïllustreerd met een fraaie foto van het object in kwestie. Naast een grotere foto van Britney Spears die blijkbaar in het geheim getrouwd was. Diezelfde foto (niet die van Britney) was enkele dagen tevoren al Astronomy Picture of the Day geweest, en ook op de nieuwssite van de Hubble-ruimtetelescoop stond heel wat informatie te lezen over deze fascinerende nevel.

Voldoende redenen, zo leek ons, om de professor eens op te zoeken voor een interview. Hans Van Winckel is 37 jaar en als professor verbonden aan het Instituut voor Sterrenkunde van de KU Leuven. De sterrenkundige microbe kreeg hij definitief te pakken in het begin van de jaren 1990 toen hij als jonge onderzoeker bij ESO aan de slag kon.

 

Professor, als pas afgestudeerde sterrenkundige meteen in Chili aan de slag kunnen op La Silla, dat lijkt echt wel een droomstart!

 

Inderdaad, dat was een heel boeiende en avontuurlijke periode, waarbij ik enorm veel geleerd heb. Want ook al was ik pas afgestudeerd, toch wist ik toen eigenlijk nog niet zo erg veel over sterrenkunde. Je vraagt je misschien af waarom? De reden is simpel en heeft alles te maken met hoe het universitair onderwijssysteem tot voor kort in ons land georganiseerd was. In tegenstelling tot de situatie in Nederland waar sterrenkunde een op zich staande studierichting is, was sterrenkunde tijdens onze opleiding in Leuven slechts een onderdeel van de studierichting wiskunde. Ten gevolge van de onderwijsvernieuwingen binnen de universiteit is dat intussen wel veranderd, zodat er tegenwoordig op het Instituut voor Sterrenkunde door studenten een master-opleiding sterrenkunde kan gevolgd worden, hetgeen een hele verbetering betekent.

Wie geïnteresseerd is in natuurwetenschappen kent doorgaans al heel wat van sterrenkunde, maar dan eerder kwalitatief, op een niet-wiskundige manier. Als je dan sterrenkunde op een kwantitatieve manier leert bestuderen gaat er een heel nieuwe wereld voor je open, waarbij je natuurkundige met wiskundige inzichten kan combineren. En zo zorgt sterrenkunde dus voor een mooie synthese tussen verschillende wetenschappelijke interessesferen en onderzoeksdomeinen.

 

Uw onderzoek richt zich in belangrijke mate op een korte evolutiefaze in het bestaan van een bepaalde soort sterren.

 

Jazeker, ik onderzoek meer bepaald het overgangsgebied tussen rode reuzensterren en planetaire nevels, dit zowel chemisch als wiskundig. Het is een vrij korte evolutiefaze in vergelijking met veel andere fazen in het bestaan van sterren. Om een idee te geven: een ster zoals onze Zon is zowat tien miljard jaar actief als hoofdreeksster, maar eens die als rode reus in de overgangsfaze gekomen is zal zij slechts tienduizend jaar of daaromtrent nodig hebben om te evolueren tot een planetaire nevel. En bijgevolg zijn er heel weinig sterren in die overgangsfaze gekend.

Het onderzoek op dit vlak is vooral infraroodsterrenkunde omdat veel van het door de ster uitgeworpen materiaal stof is, en stof straalt zelf geen zichtbaar licht uit, maar is wel een bron van infraroodstraling. Bovendien absorbeert stof heel goed de visuele golflengten, zodat de centrale ster door dat vele stof eromheen bijna helemaal onzichtbaar is geworden. Infraroodsterrenkunde biedt hier dus een oplossing.

En dus heb je infrarooddetectoren nodig om in de ruimte onderzoek te verrichten, want wij, mensen, stralen zelf in het infrarood, net zoals onze telescopen en zoals de planeet waarop wij leven. Dit onderzoek is bijgevolg sterk verbonden met de technologische vooruitgang. Infrarooddetectoren in de ruimte zijn maar sinds de jaren 1980 in gebruik.

 

De Hubble-ruimtetelescoop heeft een fotogeniek beeld gemaakt van de Red Rectangle, een sterrennevel waar u onderzoek naar verricht. Wat komt u precies te weten via zo’n foto?

 

De Red Rectangle is een beroemd object bij iedereen die zich met sterevolutie en planetaire nevels bezighoudt omdat het gaat om een zeer sterke infraroodbron op een afstand van zowat 2.300 lichtjaar. Die infraroodstraling is het resultaat van zichtbaar licht, uitgezonden door een dubbelster, dat door door de inwerking van stof infrarood is geworden. Maar je zou in zo’n geval geen visuele lichtbron meer verwachten, precies omdat het zichtbare licht infrarood is geworden. En dat is in tegenstelling tot vergelijkbare objecten bij de Red Rectangle niet zo.Er is daar een sterke visuele component, een achtste magnitudester, die je met een goede telescoop kan zien, en tegelijkertijd ook een enorme infraroodbron.

Nu blijkt uit de Hubble-opname dat hetgeen wij vanaf het aardoppervlak zagen als een rode rechthoekige nevel een X-vormige structuur heeft met daartussenin dwarsverbindingen zoals de sporten van een ladder. Dit zijn wellicht gasringen die in verschillende fasen door de ster zijn uitgestoten. En vanwaar komt dan die visuele straling, terwijl de centrale dubbelster toch ingebed ligt in een dikke stofenveloppe waar we van opzij tegenaan kijken? Het blijkt te gaan om verstrooid licht dat via de poolgebieden die stofbarrière weet te omzeilen en zo onrechtstreeks door ons kan worden waargenomen.

Om dat allemaal te komen heb je haarscherpe beelden nodig met een hoge resolutie, en dat is met telescopen die op het aardoppervlak opgesteld staan moeilijk te bereiken o.w.v. atmosfeer die de waarnemingen bemoeilijkt. Maar met een hoogtechnologische ruimtetelescoop buiten de aardse dampkring is dat wel haalbaar. Intussen begrijpen we al heel wat over de structuur van die nevel, maar over de chemie ervan is heel weinig gekend.

 

Het is dus uitkijken naar de opvolger van de Hubble, de James Webb Space Telescope, die normaal gezien in 2011 zou gelanceerd worden?

 

Die ruimtetelescoop zal voornamelijk in het nabije infrarood een enorme stap voorwaarts betekenen omdat een veel hogere spectrale resolutie mogelijk zal zijn. Ruimtelijke resolutie is ieder wel bekend: als je naar de hemel kijkt, zullen mensen met goede ogen sommige sterren als dubbelster kunnen onderscheiden, terwijl andere mensen dat niet kunnen. Maar met behulp van een telescoop zal het hen ook lukken. Je ziet dan immers beter de ruimtelijke details. Spectrale resolutie is hetzelfde principe, maar dan op het vlak van spectroscopie.

Licht is eigenlijk een combinatie van verschillende kleuren met elk een eigen golflengte. Door bepaalde technieken toe te passen kunnen we die golflengten van elkaar scheiden. Hoe hoger de resolutie, hoe nauwer we de golflengten kunnen scheiden. En hoe nauwer we de golflengten kunnen scheiden, hoe beter je de atomaire of moleculaire structuur van de straling kan bestuderen. En om dat te verwezenlijken zal de James Webb Space Telescope zeker een grote stap voorwaarts betekenen. Maar als je bij je onderzoek het licht gaat analyseren van een bepaald hemelobject om zo de chemische samenstelling ervan te achterhalen, dan krijg je te maken met een aantal parameters die gebaseerd zijn op fysische principes waarvan de modellen niet altijd absoluut zeker zijn. Daarom is de foutafschatting een heel belangrijke onderdeel bij dit soort onderzoek. En niet iedereen hanteert daarbij dezelfde normen, zodat er vaak hele discussies gevoerd worden over de nauwkeurigheid van bepaalde metingen.

 

Hoe is het inzicht in planetaire nevels de laatste tien à twintig jaar geëvolueerd?

 

Er spelen verschillende evoluties een belangrijke rol. Om goede chemische analyse te doen heb je zoals gezegd spectra nodig van zeer hoge kwaliteit. Aangezien het gaat om studieobjecten die doorgaans erg lichtzwak zijn, heb je grote telescopen nodig. De bouw van een nieuwe generatie grote telescopen, uitgerust met steeds betere spectrografen, betekende een enorme vooruitgang. Toen ik in de periode 1992-1993 bij ESO werkte, was de efficiëntie van een gemiddelde spectrograaf vijf procent, dat wil zeggen dat slechts vijf procent van het licht dat je instrument ontvangt werkelijk significant licht is voor het signaal dat je wenst te bestuderen. Intussen is dat vijfentwintig procent geworden, vijf maal meer dus.

Ook een belangrijke technologische verbetering is het feit dat ccd-camera’s tot voor kort heel weinig gevoelig waren voor blauw licht, terwijl die blauwgevoeligheid tegenwoordig opgelopen is tot zeventig procent, in tegenstelling tot de tien procent van voorheen. En aangezien atomaire spectra erg rijk zijn in het blauwe deel ervan, betekent dat ook weer een enorme vooruitgang.

Het grootste probleem bij het bestuderen van heel wat astronomische objecten is dat we het moeten stellen met modellen die afhankelijk van parameters die we onvoldoende kennen, vooral omdat we de fysica en de chemie van die objecten niet altijd even goed begrijpen. De meeste modellen die gehanteerd worden zijn immers eendimensioneel, en om goed te zijn hebben we driedimensionele modellen nodig. Het zal dus nog wel een tijdje duren eer dat gerealiseerd kan worden, maar ook op dat vlak is grote vooruitgang mogelijk dankzij steeds sterkere computers.

Een voorbeeld om dit te illustreren: de Zon mag dan een zeer nabije ster zijn, de laatste jaren is de schatting van de hoeveelheid koolstof in de Zon met een factor twee verminderd. Idem voor de hoeveelheid zuurstof. Hoe kan dat? Gewoonweg omdat we nu beschikken over een beter model dat aantoont hoe het met de temperatuur gesteld is aan het zonsoppervlak, waar zich heel ingewikkelde convectiepatronen voordoen. Als we iets weten over de koolstofabondantie of hoeveelheid koolstof van de Zon, dan is dat omdat we die informatie halen uit de moleculaire spectraallijnen. Maar die moleculaire lijnen zijn net heel gevoelig voor temperatuursvariaties, dit in tegenstelling tot sommige andere lijnen die daar veel minder gevoelig voor zijn. Zelfs kleine temperatuursverschillen hebben grote invloed op de meetresultaten. En bijgevolg was het te wijten aan een verkeerd model over de temperatuursevolutie aan het zonsoppervlak dat we de koolstofabondantie verkeerd hadden ingeschat. Nu is het wel zo dat sommige sterren een veel eenvoudiger atmosferische structuur hebben dan de Zon, maar toch zijn er ook voor die objecten nog steeds een heleboel chemische nucleosynthetische reacties die we niet goed begrijpen.

 

Dat geldt ongetwijfeld ook voor de AGB-sterren die u bestudeert? 

 

Zeker, maar om dat te begrijpen moet je weten waar het bij AGB-sterren eigenlijk op aankomt. AGB staat voor Asymptotic Giant Branch. Het zijn sterren met oorspronkelijk een massa van minder dan tien keer die van de Zon en die intussen zijn geëvolueerd tot rode reuzen.

Wanneer sterren zoals onze Zon ontstaan, beginnen zij in hun kern gestaag waterstof om te zetten in helium, en dat voor een periode van ettelijke miljarden jaren. Eens de waterstofvoorraad niet meer toereikend is, begint de ster uit te zetten tot ze een rode reuzenster is geworden. In een volgende fase wordt de ster weer kleiner om nadien weer op te zwellen tot rode reus. Ze is nu een AGB-ster geworden waarbij de sterkern is geëvolueerd tot een zeer hete witte dwerg die bestaat uit koolstof en zuurstof. Rond die kern bevindt zich een laag met heliumverbranding en een laag met waterstofverbranding, met aan de buitenkant een dikke koele waterstoflaag. Nu gaan zich in het inwendige van dergelijke AGB-sterren ook nog een hele reeks andere nucleosynthetische reacties voordoen waarbij zwaardere elementen gevormd worden zoals barium, strontium en lood. Maar om dat alles goed te begrijpen en juist te interpreteren is het nodig om heel precies de snelheid te weten waarmee die nucleosynthetische reacties zich in een dergelijke omgeving voordoen. Op dit soort vragen verwachten wij dan een antwoord van onderzoekers die de reactiesnelheden van atomen bestuderen. Sterrenkunde bestudeert dus niet alleen de wereld van het heel grote, maar ook de wereld van het heel kleine, en die combinatie maakt het juist allemaal zo boeiend!

 

Begrijpen we planetaire nevels nu beter dan voorheen?

 

We zijn alleszins op een punt gekomen dat we weten dat we veel minder weten dan dat we dachten dat we wisten. Wat in zekere zin ook een vooruitgang is.

De modellen van dertig à veertig jaar geleden waren veel te simpel: een rode reuzenster verliest het grootste deel van haar massa en blaast die mooi gelijkmatig in alle richtingen weg. Het resultaat is een sferisch symmetrische nevel. Wat blijkt nu? Kijk naar de mooie beelden van planetaire nevels gemaakt door de Hubble-ruimtetelescoop en je zal merken dat er geen enkele van die nevels sferisch symmetrisch is.

Toen bedacht men een nieuw model dat een oplossing leek te bieden voor het probleem van de onregelmatige structuur van planetaire nevels. Het ‘Interacting Wind Model’ stelt dat de uitstoot van massa door AGB-sterren die mooi gelijkmatig in alle richtingen gebeurt, verstoord wordt door de interactie tussen sterrenwinden die zich aan verschillende snelheden verplaatsen. Eerst is er een trage sterrenwind die het grootste deel van de massa van de ster wegstuwt aan een snelheid van ongeveer tien kilometer per seconde. Vervolgens doet er zich een tweede erg krachtige sterrenwind voor met een snelheid van wel duizend kilometer per seconde. Wanneer de snelle wind de trage inhaalt, gaan deze botsen en het is tijdens die interactie dat de sferische symmetrie verbroken wordt.

Maar dit model over het ontstaan van planetaire nevels blijkt toch ook niet helemaal te kloppen. Want als we kijken naar de protoplanetaire nevels, dat zijn nevels die op weg zijn om planetaire nevels te worden, dan merken we dat het gaat om nevels rondom koelere sterren waarbij er zich geen krachtige en snelle winden voordoen en waarbij de nevels zelf ook helemaal niet sferisch symmetrisch zijn. Die ingewikkelde asymmetrische structuren ontstaan m.a.w. al in een vroeger stadium dan oorspronkelijk gedacht. Zijn ze te wijten aan magnetische velden? Heeft het te maken met interacties tussen binaire sterren? De idee dat planetaire nevels alleen maar voorkomen bij binaire sterren en niet bij enkelvoudige sterren wint meer en meer terrein bij onderzoekers, maar lang niet iedereen is het er mee eens. Het probleem is dat we wel veel planetaire nevels en redelijk veel AGB-sterren kennen, maar van de evolutiefase ertussenin kennen we maar weinig objecten omdat het een fase is die relatief kort duurt. 

 

Om op zoek te gaan naar aanvullend onderzoeksmateriaal is de Hubble-ruimtetelescoop toch een ideaal instrument?

 

Dat is zo, maar om met de Hubble te kunnen werken is het nodig een project in te dienen waarbij je specificeert wanneer en voor hoe lang je welke objecten wil waarnemen met welke instrumenten van de ruimtetelescoop. Meestal is de overvraagfactor bij de Hubble-ruimtetelescoop zeven tot tien. Aangezien je dus feitelijk maar één kans op zeven hebt om effectief te kunnen waarnemen, is het nodig je project heel goed uit te leggen. Dan komt er een commissie samen die onderverdeeld is in subcommissies al naargelang het onderzoeksdomein: kosmologie, galactisch of stellair onderzoek en onderzoek i.v.m. objecten uit ons eigen zonnestelsel. Alle studievoorstellen of proposals worden gelezen en gerangschikt en uiteindelijk krijgen de beste proposals waarneemtijd toegewezen. Een dergelijk protocol geldt overigens voor alle grote telescopen en observatoria.

 

Speelt nationaliteit hierbij een rol?

 

In principe gelden er louter wetenschappelijke criteria bij het toewijzen van de verschillende projecten. Maar natuurlijk zijn al die commissieleden ook maar mensen, elk met hun eigen voorkeur. En misschien hebben zij sommige dingen gewoonweg niet goed begrepen, zodat zij bepaalde proposals minder goed rangschikken dan ze eigenlijk wel verdienen. Eens je waarneemtijd hebt gekregen en je project ten slotte gerealiseerd is, heb je een jaar het alleenrecht op de bekomen resultaten. Een jaar lang kan je er dus alleen aan werken. Pas nadien komen die data in het archief terecht en zijn daar vrij te gebruiken voor iedereen die daar geregistreerd is. Ook b.v. bij de observatoria van de ESO zijn de gegevens na een jaar vrij beschikbaar. Er bestaat dus een schat aan informatie in al die archieven, maar het is niet altijd gemakkelijk om precies te weten te komen welke informatie waar zit en hoe je een en ander kunt aanvragen. Een belangrijk Europees project is precies het opbouwen en organiseren van één groot virtueel archief waarin alle astronomische data, afkomstig van ruimtetelescopen en aardse observatoria, voor alle belangstellenden toegankelijk zou zijn. Het project draagt heel toepasselijk als naam ‘Astrophysical Virtual Observatory’.  

 

Is het NASA Astrophysics Data System een vergelijkbaar project?

 

Dat is veeleer een grote bibliografische databank met een enorme verzameling tijdschriftartikelen, conferentieverslagen, NASA-rapporten en proefschriften op het vlak van sterrenkunde, geofysica, natuurkunde en ruimtevaarttechniek.

Maar het Internet maakt het de onderzoeker op die manier wel gemakkelijk om heel veel relevante artikels en informatie te vinden. Tik je b.v. in de zoekrobot van de net genoemde databank de naam in van de centrale ster in de Red Rectangle, HD 44179, dan blijkt dat er momenteel liefst 375 artikels daar betrekking op hebben. Je hebt vandaag de dag als sterrenkundige dus zeker geen excuses meer om je vakliteratuur niet te kennen.

Om echt goed op de hoogte te zijn van de meest actuele ontwikkelingen binnen je onderzoeksdomein is het natuurlijk ook nodig  naar conferenties te gaan en collega’s te ontmoeten, hetgeen trouwens een ideale gelegenheid is om je eigen studiewerk kenbaar maken en eventueel te bediscussiëren. Artikels lopen op dat vlak wat achter, omdat het meestal een half jaar of zelfs een heel jaar duurt vooraleer die gepubliceerd raken. Zo’n wetenschappelijk artikel passeert immers langs een referee, zodat er veelal nog opmerkingen en aanvullingen moeten in verwerkt worden. Dan pas kan het uiteindelijk gepubliceerd worden in een van de vaktijdschriften.

 

Ten slotte nog enkele vraagjes i.v.m. de Mercator-telescoop. Hoe vlot het onderzoek met jullie prachtige instrument op La Palma? 

 

Wat we daar doen is voornamelijk onderzoek naar variabele sterren. De variabiliteit van sterren kan ons heel wat leren over de inwendige structuur ervan. Vergelijk het met de toestand op Aarde waarbij seismologen ook allerlei interessants aan de weet komen over de opbouw van onze planeet door het bestuderen van trillingen en bevingen van de aardkorst. Het onderzoek dat we verrichten met de Mercator-telescoop is gefocust op sterren die pulseren met heel veel verschillende tussenperiodes over een vrij lange basisperiode. Het duurt dus wel even eer we alle meetgegevens aan elkaar gelinkt hebben om het heel sterspectrum te kunnen analyseren. We hebben met andere woorden een hele periode nodig van continue en uiterst nauwkeurige waarnemingen om dat alles goed te kunnen bestuderen.

Naast asteroseismologisch onderzoek kan ons observatorium ook ingeschakeld worden bij de follow-up van pas ontdekte objecten die een bron zijn van röntgen- of gammastraling, zoals b.v. supernovae. Die worden door ruimtetelescopen ontdekt, maar om ze echt goed te kunnen bestuderen is het zeker ook nodig dat er snel vanop het aardoppervlak gereageerd wordt zodat dergelijke sterke stralingsbronnen continu opgevolgd kunnen worden.

En sinds juni is onze Mercator-telescoop uitgerust met een hoogtechnologische ccd-camera die het mogelijk maakt onderzoek te doen naar o.a. de verroding bij post-AGB-sterren. Het licht van sterren die veraf staan wordt vaak verduisterd door koel stof dat zich tussen de ster en de waarnemer bevindt. Daarbij wordt straling geabsorbeerd bij korte golflengten en weer uitgestraald in langere golflengten, in het infrarood, vandaar de term ‘verroding’. Eens we meer weten over de aard en de hoeveelheid van dat stof kunnen we achterhalen wat de intrinsieke lichtkracht is van de verduisterde ster.

 

De Mercator-telescoop is een samenwerkingsproject als ik me niet vergis?

 

Inderdaad, we hebben die telescoop gebouwd samen met het Observatoire de Genève. Er zijn eigenlijk twee gelijkaardige telescopen gebouwd, elk met een spiegel van 1,2 meter: één door ons op La Palma en één door de Zwitsers op La Silla. En zoals het hoort bij een goede samenwerking wordt de waarneemtijd netjes verdeeld. Zo kunnen wij de telescoop op La Silla gebruiken. Wat de Mercator-telescoop betreft is de verdeling als volgt: veertig procent waarneemtijd voor onze mensen, veertig procent voor de Geneefse astronomen en twintig procent voor de Spanjaarden omdat de Kanarische Eilanden Spaans grondgebied zijn.

 

Alleszins bedankt, professor, voor de boeiende uitleg.