2009-01 MIRA Ceti sprak met... Sophie Van Eck

De wereld van de sterrenkunde zit vol verrassingen: het ruimtetuig Cassini ontdekt geisers op de bizarre Saturnusmaan Enceladus, men stoot op sporen van water in een quasar op elf miljard lichtjaar van ons, we weten over het bestaan van superaardes bij andere sterren, blijkbaar is er donkere energie die het heelal versnellend doet uitdijen, witte dwergsterren kunnen zo heet worden dat ze a.h.w. overkoken, op enkele dagen tijd zien we komeet Holmes een miljoen keer helderder worden, enz. De grootste verrassing van 2008 bleek evenwel te zijn dat de mevrouw die aan bod komt in dit interview van MIRA Ceti mij bij aankomst in haar kantoor meteen feliciteerde met ons tijdschrift, en zij vond het interview in het vorige nummer met haar man erg leuk… Tja, de wereld is klein, pleegt men dan te zeggen. Sophie Van Eck is 37 jaar, ingenieur en doctor in de fysica en is verbonden aan het Institut d’Astronomie et d’Astrophysique van de Université Libre de Bruxelles. 

 

Mevrouw Van Eck, jullie instituut heeft een uitstekende reputatie. Wat zijn jullie voornaamste studiedomeinen?

 

Een belangrijk luik van ons onderzoek situeert zich op het vlak van het doen van waarnemingen, waarbij wij allerlei metingen doen in verband met de structuur en de evolutie van bepaalde soorten sterren. Dat is meteen ook het domein waarin ik zelf actief ben. Daarnaast is er het theoretische luik met het opstellen van modellen i.v.m. nucleosynthese waarbij wij de processen trachten te achterhalen die zich afspelen in de kernen van sterren en die verantwoordelijk zijn voor de vorming van elementen in het sterinwendige.  Ook i.v.m. de evolutie van sterren vanaf de initiële gas- en stofwolk tot de fase van rode reus stellen wij modellen op. En dan blijken het theoretische onderzoek en het waarnemingsluik erg complementair te zijn, want de modellen i.v.m. nucleosynthese kunnen  gecombineerd worden met de modellen van sterevolutie om op basis daarvan voorspellingen te doen over wat zou moeten waarneembaar zijn  aan het oppervlak van een bepaald soort ster in een bepaalde fase van haar bestaan. Vervolgens gaan wij, waarnemers, aan de slag om in de spectra van die sterren die en die elementen op te sporen. Een mooi voorbeeld in dit verband is de theoretische voorspelling van één van onze mensen enkele jaren geleden dat bij sterren met een laag metaalgehalte, die m.a.w. vroeg in de geschiedenis van het sterrenstelsel zijn ontstaan, het proces van nucleosynthese uiterst efficiënt moet verlopen, met als gevolg dat ze in staat zijn om vele zware elementen aan te maken, zo zwaar zelfs als lood. En dus gingen wij op zoek naar sterren met in hun spectrum sporen van lood. De uitdaging was een ster te vinden uit de populatie van ver geëvolueerde rode reuzensterren, de zogenaamde AGB-sterren, met een laag metaalgehalte. Dergelijke sterren waren toen nog niet waargenomen, en sindsdien zijn er ook nog maar enkele gekend. Daarom hadden we het idee om op een indirecte manier te gaan zoeken naar sporen van die nucleosynthese, meer bepaald door ons te richten op rode reuzen in een dubbelstersysteem waarbij de rode reus via massaoverdracht de begeleidende ster met zware elementen zou vervuild hebben. Zo’n klasse van binaire sterren met gering metaalgehalte was wel bekend. Met de 3,6 meter spiegeltelescoop op La Silla in Chili hebben we de spectra geregistreerd van een aantal van die sterren, en daarin hebben we inderdaad aanzienlijke hoeveelheden lood teruggevonden. Over deze toch wel opzienbarende ontdekking hebben we een artikel gepubliceerd dat meteen ook in Nature verschenen is. 

 

Jullie bestuderen ook de alternatieve zwaartekrachtstheorie MOND. Is dat een theorie die serieus genomen moet worden?  

 

Aangezien een belangrijk onderzoeksproject bij ons betrekking heeft op de dynamische processen binnen sterrenstelsels en zwaartekrachtslenzen, is de zoektocht naar de ware aard van donkere materie iets wat ons in hoge mate bezighoudt. En op dat vlak biedt MOND – wat staat voor Modified Newtonian Dynamics – een mogelijk alternatief voor de donkere materie. Het gaat bij MOND om een aanpassing van de tweede bewegingswet van Newton F = ma. Op basis van die wet kan immers gesteld worden dat verder afgelegen objecten met lagere snelheden bewegen, zoals we trouwens zien gebeuren in het zonnestelsel: hoe verder de planeten van de Zon verwijderd zijn, hoe trager ze eromheen draaien. In het geval van sterrenstelsels zien we evenwel dat de materie gelijkmatig ronddraait, dus niet trager naarmate ze verder van het centrum verwijderd is, en dat is in tegenspraak met de tweede wet van Newton. Maar met de veronderstelling dat er daarom naast zichtbare ook een halo van donkere materie bij sterrenstelsels aanwezig is kunnen de waargenomen dynamische processen wel verklaard worden. MOND stelt dat het poneren van het bestaan van donkere materie een poging is om de Newtoniaanse dynamica te redden, maar dat die donkere materie niet nodig is bij het verklaren van de dynamische processen binnen sterrenstelsels indien we stellen dat de versnelling a niet recht evenredig is met de kracht F bij uiterst lage waarden. En dat is precies wat zich voordoet op galactische schaal met zo’n enorme afstanden tussen de sterren dat de zwaartekrachtsversnelling extreem klein is. De meeste sterrenkundigen blijven uitgaan van het bestaan van donkere materie en beschouwen MOND daarom als een afwijkende maar niet onmogelijke theorie. Er zijn in ieder geval een aantal argumenten pro en contra. Zelf ben ik niet bezig met dit onderzoeksdomein, maar mijn collega Benoît Famaey is wel specialist ter zake. Hij schreef hierover een aantal artikelen die ook voor een ruimer publiek toegankelijk zijn. Op onze website vinden geïnteresseerden daar meer informatie over.

Ten slotte bereidt ons instituut mee de Gaia-missie van de ESA voor. Deze satelliet zal in 2011 gelanceerd worden om gedurende vijf jaar uiterst nauwkeurig de posities en bewegingen te meten van zo’n 1,2 miljard sterren, en enkele van onze mensen spelen een belangrijke rol bij de constructie en het programmeren van een aantal onderdelen van Gaia.       

 

Een vraag die mensen zich in verband met sterrenkunde vaak stellen is de volgende: hoe kunnen astronomen zo’n stellige uitspraken doen over objecten die toch zo ontzettend ver verwijderd zijn?

 

Het licht dat ons van bij de sterren en al die andere objecten in het heelal bereikt is drager van enorm veel informatie. Onze natuurlijke detector van dat licht is het menselijk oog, maar het oog is eigenlijk een nogal rudimentair instrument: sterren zien we wit, geelachtig of met een oranje schijn. Als we nu gebruik maken van een verfijnder toestel zoals een spectrograaf, kunnen we het licht scheiden in verschillende golflengten en krijgen we rood licht te zien en oranje, geel, groen, blauw en violet licht, de bekende kleuren van de regenboog. In zo’n kleurenspectrum van sterlicht blijkt op welbepaalde plaatsen licht te ontbreken, en dit wordt veroorzaakt doordat welbepaalde atomen in de atmosfeer van die ster het licht op die plaatsen hebben geabsorbeerd. Aangezien elk type atoom het licht op een verschillende manier en op een verschillende plaats in het spectrum absorbeert, geeft elke absorptielijn in het spectrum informatie over welke atomen er in die ster aanwezig zijn en ook in welke toestand van ionisatie die atomen zijn, d.w.z. of het atoom over al zijn elektronen beschikt of dat er rond de kern een aantal elektronen ontbreken en het atoom dus geïoniseerd is. De graad van ionisatie verschaft ons informatie over de temperatuur van de ster. Door te constateren hoeveel licht er per spectraallijn ontbreekt, kunnen we ook achterhalen in welke kwantiteit de atomen aanwezig zijn. En bij meervoudige stersystemen kunnen we bovendien de massa bepalen door de periode van die sterren te meten waarmee ze rond elkaar bewegen, iets wat we kunnen achterhalen door de helderheidsschommelingen nauwkeurig te registreren.

Zoals je ziet kunnen we over die ver verwijderde sterren veel informatie bekomen door simpelweg het licht ervan te bestuderen.

 

In hoeverre is die informatie eenduidig te interpreteren?

 

Er blijven natuurlijk onzekerheden bij het interpreteren. Zo hebben we bv. bij de ver geëvolueerde reuzensterren te maken met een atmosfeer die heel turbulent is, en de grootschalige bewegingen van die steratmosferen beïnvloedt zeer zeker de vorm van de spectraallijnen. Als men de abundantie van elementen probeert te bepalen op basis van die spectraallijnen moet men terdege rekening houden met die turbulenties, zoniet riskeert men te komen tot abundanties die verkeerd zijn. Maar om dat te doen is het nodig de atmosfeer van die sterren in drie dimensies te bestuderen, en momenteel is men nog maar net begonnen met het ontwikkelen van modellen die zulks mogelijk maken. Dat deze nieuwe benadering leidt tot significante veranderingen mag blijken uit het feit dat enkele jaren geleden de abundantie van ijzer in de Zon grondig moest herzien worden omdat men voordien niet genoeg had rekening gehouden met de convectiebewegingen van de zonneatmosfeer. En vermits de Zon als referentie fungeert bij het bepalen van abundanties in andere sterren, heeft dit nieuwe inzicht in het ijzergehalte van de Zon toch wel serieuze repercussies gehad.

 

Kan u iets meer vertellen over uw doctoraatsthesis?

 

Ik heb op basis van een staal van ruim tweehonderd  sterren die behoren tot spectraalklasse S een statistische studie gemaakt i.v.m. de materieoverdracht tussen sterren die deel uitmaken van een binair systeem. Sterren van spectraalklasse S zijn rode reuzensterren die ver geëvolueerd zijn, ze lijken dus op sterren van spectraalklasse M, maar waar deze laatsten gekenmerkt worden door lijnen van titaniumoxide in hun spectrum, zijn bij de sterren van klasse S de lijnen van zirconiumoxide opmerkelijk.

Omtrent de jaren 1980 begonnen astronomen er zich rekenschap van te geven dat bepaalde van die sterren lijnen van zirkoniumoxide in hun spectrum vertonen omdat ze via nucleosynthese die molecule in hun inwendige zelf aangemaakt hebben en ze vervolgens via convectie naar hun oppervlak getransporteerd hebben, maar dat andere sterren met sporen van zirkoniumoxide zelf geen nucleosynthese verrichten, maar in het verleden vervuild werden door een begeleidende ster. We hadden dus te maken met echte en valse sterren van spectraalklasse S. Via mijn doctoraatsthesis kon ik bepalen of het om echte of valse sterren van klasse S ging, en in de helft van de gevallen bleek het om vervuilde sterren te gaan. 

 

Als we het hebben over nucleosynthese kunnen we natuurlijk niet om de figuur van Fred Hoyle heen?

 

Inderdaad, Fred Hoyle is een grote meneer in de sterrenkunde, ook al waren sommige van zijn standpunten erg controversieel.  Zo is hij altijd een rabiate tegenstander geweest van de oerknaltheorie, en zoal je wel weet is de naam Big Bang van hem afkomstig om die ideeën in het belachelijke te trekken. Tegenwoordig is de oerknaltheorie nochtans de meest steekhoudende, daar is de grote meerderheid van sterrenkundigen het over eens. Het is wel zo dat in de tijd dat Hoyle zijn theorie van de Steady State formuleerde, d.w.z. uitgaande van een onveranderlijk heelal, de argumenten ten voordele van de oerknaltheorie minder overtuigend en dus minder onweerlegbaar waren dan tegenwoordig. Bovendien is het zo dat er in het wetenschappelijk debat steeds ruimte moet zijn voor uiteenlopende meningen. Ook wat betreft de oorsprong en verspreiding van leven in het heelal hield Hoyle er een serieus afwijkende opvatting op na, maar al was het enkel omwille van zijn werk op het terrein van de nucleosynthese verdient hij een plaats in de galerij van grote sterrenkundigen.

In 1957 publiceerde Hoyle samen met Geoffrey en Margaret Burbidge en William Fowler een artikel dat beroemd zou worden als B2FH, verwijzend naar de initialen van de namen van de vier auteurs. In dat artikel worden alle processen beschreven waarmee sterren lichte elementen omzetten in zwaardere elementen. We mogen dat artikel dus echt wel als de grondslag beschouwen voor alle nucleosynthese die in het heelal plaatsvindt. Daarbij manifesteerde Hoyle zich als de theoreticus die allerlei ingewikkelde wiskundige modellen ontwikkelde waarmee men de snelheid van de reacties in de sterkernen kon berekenen. En ruim 50 jaar na de publicatie ervan zijn de grote lijnen van dat artikel nog steeds van kracht. Uiteraard werd het sindsdien mogelijk om de processen van nucleosynthese met nog meer precisie te berekenen, en dit op basis van steeds betere modellen i.v.m. sterevolutie en kernfusie, die op hun beurt onder andere mogelijk werden door de steeds toenemende rekenkracht van computers. Maar de basis van het begrijpen en beschrijven van de nucleosynthese werd beschreven in dat bewuste artikel B2FH.

 

Jullie instituut verricht binnen dat domein nieuw onderzoek?

 

Ons team probeert alternatieve mechanismen op het vlak van nucleosynthese te detecteren. Aan het oppervlak van bepaalde zeer hete en weinig geëvolueerde sterren heeft men zeer instabiele, dus radioactieve elementen menen waar te nemen. Aangezien het om vrij jonge sterren gaat is het niet in hun kernen dat ze die zware elementen fabriceren. Bij die zeer hete sterren komen verschillende toestanden van ionisatie voor, zo is ijzer er bv. niet alleen in neutrale toestand terug te vinden, maar ook één keer geïoniseerd, dus met één elektron minder, ook twee keer geïoniseerd, enzovoort, en die graad van ionisatie vermenigvuldigt evenveel keren het aantal aanwezige spectraallijnen in het spectrum. Er zijn bijgevolg enorm veel door elkaar lopende spectraallijnen in een dergelijk spectrum terug te vinden, het is dus een heel moeilijk werk om te bepalen of die bepaalde lijn van dit of dat element afkomstig is. De bewering van een aantal onderzoekers dat ze bepaalde radioactieve elementen in de spectra van die weinig geëvolueerde sterren hebben aangetroffen willen wij verifiëren. Want als dat waar is, hebben we te maken met een mechanisme van nucleosynthese aan het oppervlak van die sterren, en dat is iets totaal nieuws, waarover in het artikel van Hoyle en zijn gezellen helemaal geen sprake was. Daarom is het noodzakelijk absoluut zeker te zijn dat men wel degelijk radioactieve elementen aan het oppervlak van die sterren gedetecteerd heeft en dat het niet simpelweg om sterk geïoniseerd barium of europium gaat waarvan men de spectraallijnen niet herkend heeft. Het is onze ambitie om daarin duidelijkheid te scheppen door het bestuderen van die spectra met erg geperfectioneerde instrumenten die rekening houden met de specifieke atmosfeertoestanden van die sterren. Het gaat om sterren met een atmosfeer die zeer stabiel is omdat hij door een sterk elektromagnetisch veld gefixeerd wordt. Daardoor vertoont zo’n atmosfeer een duidelijke stratificatie, waarbij er een laag is die rijk is aan europium, terwijl een andere laag rijk is aan barium. Je stoot dus op een atmosfeer die alles behalve homogeen is, en dat maakt het spectrum uiteraard extreem moeilijk te interpreteren.

 

Het is ook belangrijk om te achterhalen via welke procedés de waargenomen elementen zich gevormd hebben en in die omgeving terechtgekomen zijn?

 

Als we de grafiek bekijken met de relatieve verdeling van elementen in het universum zien we dat er verschillende pieken zijn. Er was de nucleosynthese ten gevolge van de Big Bang waarbij waterstof, helium en lithium zijn ontstaan. Na helium maakt de curve een forse duik, daar treffen we elementen aan waarvan de abundanties zo laag zijn omdat ze niet stabiel genoeg waren om zich in de omstandigheden van het vroege heelal te handhaven. Vanaf koolstof hebben we te maken met elementen die ontstaan zijn in het inwendige van sterren, die nucleosynthese heeft niet direct meer te maken met die van de Big Bang.

Twee van dergelijke processen van stellaire nucleosynthese zijn s en r, hetgeen verwijst naar slow neutron capture en rapid neutron capture. In het geval van proces s hebben we te maken met de aanmaak van elementen in het inwendige van rode reuzensterren in een stabiele fase, terwijl proces r kenmerkend is voor de explosieve fase bij een supernova-explosie. Beide processen leiden tot andere abundantiepieken, zo is de piek bij barium of ook lood een gevolg van nucleosynthese via proces s, terwijl de piek bij platina veeleer door proces r is veroorzaakt. Het proces zelf vindt plaats door het invangen van een neutron door een atoomkern, daardoor verhoogt het massagetal en schuift de kern in de tabel van de elementen een plaatsje op naar rechts. Het element blijft hetzelfde omdat er niets verandert aan het aantal protonen. Vervolgens kan er nog een neutron ingevangen worden en nog één tot er een isotoop ontstaat die niet meer stabiel is. Met als gevolg radioactief verval waarbij een neutron in een proton verandert, de kern schuift op naar links en naar boven, en zo hebben we te maken met een ander element.

In ons onderzoek concentreren wij ons op sterren van spectraalklasse S, en wij treffen in de spectra van die sterren overvloedige sporen aan van elementen die zich vormden via proces s. Maar we stoten ook op sporen die wijzen op nucleosynthese via proces r, en die elementen zijn afkomstig van supernova-explosies die lang voordien plaatsvonden en die de interstellaire ruimte vervuild of – beter – verrijkt hebben met de chemische elementen die ten gevolge daarvan ontstaan zijn. Sterren die in hun spectrum alleen sporen van proces s of r vertonen zijn hoogst uitzonderlijk, en naar dat soort sterren wordt ijverig gezocht. Het gaat om de allereerste sterren van ons sterrenstelsel die dateren uit een periode toen de ruimte tussen de sterren nog niet verrijkt was door elementen die bij supernova’s aangemaakt werden. Deze sterren van de allereerste generaties in onze Melkweg zouden dus alleen maar sporen vertonen van nucleosynthese via proces s.

 

Als we de relatieve verdeling van elementen in het zonnestelsel vergelijken met de grafiek van kosmische abundanties blijken er erg veel gelijkenissen te zijn?

 

Dat is niet meer dan normaal, aangezien ons zonnestelsel zich vormde uit een grote wolk gas en stof die representatief was voor de materie die in deze zone van ons sterrenstelsel voorhanden was. Het onderzoek i.v.m. nucleosynthese is zo interessant omdat het ons leert te begrijpen hoe het universum met daarin alle sterrenstelsels en ons zonnestelsel kon evolueren tot het resultaat dat we vandaag zien, en dit op basis van de ingrediënten die er in aanwezig zijn. Veel mensen realiseren zich niet dat alle chemische elementen die we op Aarde hebben, alle koolstof, alle ijzer, lood of andere elementen waaraan we denken, niet ontstaan zijn tijdens de Oerknal, maar aangemaakt zijn in het inwendige van sterren. Als deze elementen hier op onze planeet aanwezig zijn, komt dat omdat er meerdere generaties sterren geweest zijn vóór de Zon, en die sterren hebben een hele cyclus doorlopen, hebben die elementen aangemaakt en op een of andere manier uitgestoten in het interstellaire midden. Daaruit vormden zich wolken van gas en stof, verrijkt met die elementen. En uit één van die wolken is de Zon en het zonnestelsel ontstaan. Dat lijkt mij een wonderlijk idee.  

 

Zeer zeker. Een slotvraagje: heeft de ULB speciale plannen in verband met het IYA2009?

 

Zoals de meeste andere berokkenen uit de wereld van de sterrenkunde zijn wij opgetogen dat er in 2009 wereldwijd veel aandacht zal zijn voor ons vakgebied, en wij zullen op velerlei manieren meewerken om er een succes van te maken, o.a. via lezingen, waarnemingssessies, enz. In sommige gevallen zullen we ook samenwerken met andere organisaties en instanties, bv. voor de 100 Hours of Astronomy.

Eén van de hoeksteenprojecten van het IYA2009 is UNAWE, hetgeen staat voor Universe Awareness for Young Children. Het is de bedoeling van dit project aan minderbedeelde kinderen uit de hele wereld de kans te bieden om kennis te maken met de schoonheid en grootsheid van het universum, en wij willen met het oog daarop op nationaal niveau allerlei activiteiten en educatief materiaal ontwikkelen. Zo plannen we lezingen en voorstellingen in scholen voor achtergestelde of zieke kinderen, of in gesloten en psychiatrische instellingen. We werken ook aan een braillesite over sterrenkunde zodat blinde en slechtziende kinderen en volwassenen met een aangepast toestel reliëffoto’s met bijhorende uitleg zouden kunnen printen. Zelf ben ik verantwoordelijke voor het Franstalige luik van UNAWE België. Voordien hadden we al Clés pour l’Univers opgericht, een verenging om sterrenkunde te brengen bij mensen in gevangenissen, bejaardentehuizen, hospitalen, enz. UNAWE is meer gericht op kinderen.

 

In ieder geval veel succes met deze projecten en uw verdere onderzoek, en hartelijke dank voor het interessante gesprek.