We zouden allemaal wel eens in de toekomst willen kunnen kijken. Dankzij de allernieuwste gegevens van ESA's sterrenmissie Gaia kunnen astronomen nu precies dat doen voor de zon. Door sterren met een vergelijkbare massa en samenstelling nauwkeurig te identificeren, kunnen ze zien hoe onze zon zich in de toekomst zal ontwikkelen. En dit werk gaat veel verder dan een beetje astrofysische helderziendheid. Gaia's derde grote gegevensrelease (DR3) werd op 13 juni 2022 openbaar gemaakt. Een van de belangrijkste producten van deze release was een database met de intrinsieke eigenschappen van honderden miljoenen sterren. Deze parameters zijn onder meer hoe heet ze zijn, hoe groot ze zijn, en welke massa's ze bevatten.
Gaia meet uitzonderlijk nauwkeurig de schijnbare helderheid van een ster, zoals gezien vanaf de aarde, en de kleur van de ster. Het omzetten van deze basiswaarnemingskenmerken in de intrinsieke eigenschappen van een ster is een moeizaam karwei. Orlagh Creevey, Observatoire de la Côte d'Azur, Frankrijk, en medewerkers van Gaia's Coördinatie-eenheid 8 zijn verantwoordelijk voor het extraheren van dergelijke astrofysische parameters uit Gaia's waarnemingen. Het team bouwt daarbij voort op het pionierswerk van astronomen aan het Harvard College Observatory in Massachusetts aan het eind van de 19e en het begin van de 20e eeuw.
In die tijd richtten de astronomen zich op het classificeren van de verschijning van 'spectraallijnen'. Dit zijn donkere lijnen die verschijnen in de regenboog van kleuren die ontstaat wanneer het licht van een ster wordt gesplitst met een prisma. Annie Jump Cannon bedacht een volgorde van spectrale classificatie die de sterren rangschikte naar de sterkte van deze spectraallijnen. Later werd ontdekt dat deze volgorde rechtstreeks verband hield met de temperatuur van de sterren. Antonia Maury maakte een aparte classificatie op basis van de breedte van bepaalde spectraallijnen. Later werd ontdekt dat dit verband hield met de lichtkracht en de leeftijd van een ster.
Door deze twee eigenschappen met elkaar in verband te brengen kan elke ster in het heelal in één diagram worden uitgezet. Dit diagram, dat bekend staat als het Hertzsprung-Russell (HR) diagram, is een van de hoekstenen van de astrofysica geworden. Het HR-diagram werd in 1911 onafhankelijk van elkaar ontwikkeld door Ejnar Hertzsprung en in 1913 door Henry Norris Russell, en zet de intrinsieke lichtkracht van een ster af tegen zijn effectieve oppervlaktetemperatuur. Het laat zien hoe sterren zich gedurende hun lange levenscyclus ontwikkelen. Terwijl de massa van de ster tijdens zijn leven relatief weinig verandert, variëren de temperatuur en de grootte van de ster sterk naarmate hij ouder wordt. Deze veranderingen worden bepaald door het type kernfusiereacties dat op dat moment in de ster plaatsvindt.
Met een leeftijd van ongeveer 4,57 miljard jaar bevindt onze zon zich momenteel in haar comfortabele middelste leeftijd, waarbij waterstof tot helium wordt gesmolten en zij over het algemeen tamelijk stabiel is; stabiel zelfs. Dat zal niet altijd het geval zijn. Als de waterstof in de kern van de zon opraakt en er veranderingen in het fusieproces optreden, verwachten we dat de zon zal uitgroeien tot een rode reuzenster, waarbij de oppervlaktetemperatuur zal dalen. Hoe dit precies gebeurt, hangt af van de massa van de ster en zijn chemische samenstelling. Dit is waar DR3 om de hoek komt kijken. Orlagh en zijn collega's hebben de gegevens uitgekamd op zoek naar de meest nauwkeurige waarnemingen van sterren die het ruimtevaartuig kon bieden. "We wilden een echt zuivere steekproef van sterren hebben met zeer nauwkeurige metingen," zegt Orlagh.
Ze concentreerden hun inspanningen op sterren met oppervlaktetemperaturen tussen 3000 K en 10 000 K, omdat dit de langstlevende sterren in het Melkwegstelsel zijn en dus de geschiedenis van de Melkweg kunnen onthullen. Het zijn ook veelbelovende kandidaten voor het vinden van exoplaneten omdat ze in grote lijnen vergelijkbaar zijn met de zon, die een oppervlaktetemperatuur van 6000K heeft. Vervolgens hebben Orlagh en zijn collega's de steekproef zo gefilterd dat alleen de sterren met dezelfde massa en chemische samenstelling als de zon in beeld komen. Omdat ze de leeftijd lieten verschillen, trokken de geselecteerde sterren uiteindelijk een lijn over het H-R-diagram dat de evolutie van onze zon van zijn verleden naar zijn toekomst voorstelt. Zo werd duidelijk hoe onze ster zijn temperatuur en lichtkracht zal variëren naarmate hij ouder wordt.
De evolutie van onze ster, de zon - Foto: ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO
Uit dit werk wordt duidelijk dat onze zon een maximumtemperatuur zal bereiken wanneer zij ongeveer 8 miljard jaar oud is, vervolgens zal afkoelen en in omvang zal toenemen, en een rode reuzenster zal worden wanneer zij ongeveer 10-11 miljard jaar oud is. Na deze fase zal de zon het einde van haar leven bereiken, wanneer zij uiteindelijk een zwakke witte dwerg wordt. Het vinden van sterren die lijken op de zon is essentieel om te begrijpen hoe wij in het grotere heelal passen. "Als we onze eigen zon niet begrijpen - en er zijn veel dingen die we niet weten - hoe kunnen we dan verwachten alle andere sterren te begrijpen die deel uitmaken van ons prachtige melkwegstelsel," zegt Orlagh.
Het is nogal ironisch dat de zon onze dichtstbijzijnde, meest bestudeerde ster is, maar toch dwingt die nabijheid ons haar te bestuderen met heel andere telescopen en instrumenten dan die waarmee we naar de rest van de sterren kijken. Dat komt omdat de zon zoveel helderder is dan de andere sterren. Door sterren te identificeren die vergelijkbaar zijn met de zon, maar dit keer met een vergelijkbare leeftijd, kunnen we deze waarnemingskloof overbruggen. Om deze 'zonne-analogen' in de Gaia-gegevens te identificeren, zochten Orlagh en collega's naar sterren met temperaturen, oppervlaktezwaartes, samenstellingen, massa's en stralen die allemaal vergelijkbaar zijn met de huidige zon. Zij vonden 5863 sterren die aan hun criteria voldeden.
Nu Gaia de doellijst heeft opgesteld, kunnen anderen ze serieus beginnen te onderzoeken. Enkele van de vragen waarop zij een antwoord willen, zijn: hebben alle zonanalogen een planetair systeem dat vergelijkbaar is met het onze? Draaien alle zonanalogen met dezelfde snelheid als de zon?
Met data-release 3 heeft Gaia's uiterst nauwkeurige instrumentatie het mogelijk gemaakt de stellaire parameters van meer sterren nauwkeuriger te bepalen dan ooit tevoren. En die nauwkeurigheid zal doorwerken in vele andere studies. Zo kan het nauwkeuriger kennen van sterren helpen bij het bestuderen van sterrenstelsels, waarvan het licht een samensmelting is van miljarden individuele sterren.
"De Gaia-missie heeft overal in de astrofysica invloed gehad," zegt Orlagh.
Bron: ESA
