Er zijn meer hele zware sterren dan voorheen werd aangenomen

De Tarantula-nevel in de Grote Magelhaanse Wolk
De Tarantula-nevel in de Grote Magelhaanse Wolk. Credit: NASA, ESA, & F. Paresce (INAF-IASF), R. O’Connell (U. Virginia), & the HST WFC3 Science Oversight Committee

Superzware sterren met een massa tot enkele honderden zonsmassa komen waarschijnlijk veel meer voor dan voorheen werd aangenomen. Een nieuw onderzoek toont aan dat zwarte gaten en andere exotische overblijfselen van dode zware sterren vermoedelijk ook veel algemener zijn dan voorheen werd aangenomen. Supermassieve sterren hebben mogelijk ook een veel belangrijkere rol gespeeld bij de evolutie van het heelal dan eerder werd voorspeld.

Astronomen weten van het bestaan van veel zware sterren met een massa van meer dan tien zonsmassa. De zwaarste bekende ster, R136a1, heeft een massa van ongeveer 300 zonsmassa.

Zware sterren zijn verantwoordelijk voor de meest gewelddadige gebeurtenissen en de exotische objecten in het heelal. Als een zware ster bijvoorbeeld overlijdt dan doen ze dat in een supernova-explosie die korte tijd alle andere heldere sterren in een sterrenstelsel kan overtreffen in helderheid. De overblijfselen van een supernova zijn neutronensterren of zwarte gaten.

Daarnaast hebben zware sterren een belangrijke rol gespeeld bij de evolutie van het heelal. Sterren zijn d’r bron voor metalen in het heelal. Voor astronomen zijn metalen alle elementen zwaarder dan helium. Zware sterren in het bijzonder spelen een grote rol bij de productie van deze metalen.

Zware sterren hebben meer brandstof dan kleinere sterren dus ze kunnen branden bij een hogere temperatuur waarbij de straling en de wind van geladen deeltjes die ze opwekken veel sterker is een daardoor het lot van sterrenstelsels kunnen beïnvloeden. Eerder onderzoek stelde al dat dergelijke straling een essentiële rol speelde in het tijdperk van de re-ionisatie, de periode kort na het ontstaan van het heelal toen dat het eerste licht in het heelal ontstond.

Meteen na de Oerknal was het heelal een snel uitdijende bron van ionen, elektrisch geladen deeltjes. Ongeveer 380.000 jaar later koelden deze ionen af tot neutraal waterstofgas. Het heelal bleef donker totdat de zwaartekracht materie deed samentrekken en de eerste sterren ontstonden. De intense ultraviolette straling uit deze periode zorgde ervoor dat de neutrale waterstof ioniseerde en sinds die tijd geïoniseerd bleef. Na deze re-ionisatie kon licht vrijelijk door de ruimte reizen.

Hoe belangrijk deze superzware sterren waren voor deze transformatie is lastig vast te stellen omdat we deze sterren lastig kunnen bestuderen. Eén van de redenen is dat superzware sterren redelijk zeldzaam zijn, in het heelal bevinden zich voornamelijk sterren met een lage massa. Een andere reden is dat superzware sterren een veel kortere levenscyclus hebben dan lichtere sterren. Ze verbranden hun brandstof bij een veel hogere temperatuur en daardoor jagen ze die brandstof er veel sneller doorheen en worden ze veel minder oud. Onze Zon bijvoorbeeld is nu ongeveer 4,6 miljard jaar oud en kan nog wel ongeveer 5 miljard jaar mee maar een superzware ster wordt slechts enkele miljoenen jaren oud.

Om meer te weten te komen over het leven en dood van zware sterren onderzocht het onderzoeksteam de Tarantula-nevel in de Grote Magelhaanse Wolk. Dit is een satellietstelsel van ons eigen sterrenstelsel en het bevindt zich op een afstand van ongeveer 180.000 lichtjaar. In deze nevel komen de zwaarst bekende sterren voor waaronder ook R136a1.

De astronomen gebruikten de Very Large Telescope van de ESO in Chili om de massa en de leeftijd van ongeveer 800 zware sterren inde Tarantula-nevel te bepalen. Dit gebied is ook bekend als 30 Dorado en het is het grootste stervormingsgebied in onze nabijheid dat astronomen in detail kunnen bestuderen. 30 Dorado heeft een doorsnede van iets meer dan 1000 lichtjaar en als het zich op dezelfde afstand zou bevinden als de Orionnevel (ongeveer 1300 lichtjaar) dan hou het net zo groot zijn als 60 Volle Manen en zou het licht ervan schaduwen werpen op Aarde.

De onderzoekers keken naar sterren met een massa van meer dan 30 zonsmassa en ze ontdekten dat er ongeveer 30% meer van dergelijke sterren waren ontstaan in deze nevel dan modellen over sterformatie zouden voorspellen en naarmate de massa van de sterren toeneemt worden de verschillen met de bestaande modellen groter.

Het onderzoeksteam was totaal verrast toen ze zich realiseerden dat 30 Dorado veel meer zware sterren bevatte dan eerder werd aangenomen en ze dachten dat ze fouten hadden gemaakt in hun berekeningen.

De onderzoekers denken dat oudere schattingen over het aantal zware sterren niet juist zijn omdat ouder onderzoek zich voornamelijk richtte op sterren tot ongeveer 30-40 zonsmassa of lager. Het onderzoeksteam onderzocht echter grote aantallen sterren met een massa tot wel 200 zonsmassa. In het verleden werd aangenomen dat sterren zwaarder dan 150 zonsmassa niet kunnen bestaan maar de nieuwe studie toont aan dat sterren tot 200 of zelfs 300 zonsmassa geen probleem zijn.

Er zijn twee verklaringen mogelijk waarom er meer zware sterren zijn gevonden dan werd voorheen werd aangenomen. Eén verklaring is het feit dat de Tarantula-nevel een metalliciteit heeft van slechts 40% van de Zon en dat deze lage metalliciteit kan leiden tot een groter aantal zware sterren. De andere verklaring zegt dat de Tarantula een zogenoemd stervormingsgebied is, een gebied met een heel hoog aantal nieuwe sterren. Eerdere generaties sterren hebben er mogelijk voor gezorgd dat de gaswolken waarin latere generaties ontstaan, zijn verhit waardoor er zwaardere sterren zouden kunnen ontstaan.

Als er meer zware sterren in het heelal voorkomen dan voorheen werd gedacht dan kan dit wel een aantal gevolgen hebben voor het heelal. Zo zouden er 70% meer supernova-explosies voor kunnen komen dan voorheen werd aangenomen en ook de snelheid waarmee zwarte gaten ontstaan zou dan 180% hoger kunnen zijn dan oudere modellen voorspellen. Supernova’s zouden dan ook tot drie keer zoveel elementen produceren dan voorheen werd aangenomen.

Verder zouden zware sterren vier keer meer ionisatiestraling kunnen produceren als werd aangenomen. Tijdens de re-ionisatieperiode van het heelal speelden zware sterren vermoedelijk een belangrijke rol vanwege hun enorme ionisatiestraling.

Toekomstig onderzoek van andere stervormingsgebieden zal moeten uitwijzen of de nieuwe bevindingen standhouden. Het onderzoek werd op 5 januari gepubliceerd in het tijdschrift Science.

 

 

Eerste publicatie: 6 januari 2018
Bron: diverse persberichten, Science