XMM-Newton ziet enorme vlam bij kleine ster

Artist impression van een reusachtige zonnevlam
Artist impression van een dwergster van spectraalklasse L. Dit zijn sterren met een massa net boven de grens om echt een ster te kunnen zijn. De ster in de afbeelding stoot een enorme zonnevlam uit zoals die door de röntgentelescoop XMM-Newton van de ESA werd gedetecteerd. Astronomen vonden de enorme röntgenvlam in gegevens die op 5 juli 2008 waren verzameld door de European Photon Imaging Camera (EPIC) aan boord van de XMM-Newton. In een tijdsbestek van slechts enkele minuten stootte de ster J0331-27, tienmaal meer energie uit dan de krachtigste zonnevlammen die ooit door onze Zon zijn uitgestoten. Het waarnemen van di fenomeen zorgt voor een fundamenteel probleem voor astronomen want men had het niet voor mogelijk gehouden dat een kleine ster zoals J0331-27 een dergelijke zonnevlam zou kunnen veroorzaken. Credit: ESA

Astronomen hebben met behulp van de XMM-Newton telescoop in de ruimte een enorme uitbarsting waargenomen van een sterretje dat een massa heeft van slechts 8% van de Zon. De uitbarsting werd waargenomen in röntgenlicht. Deze enorme uitbarsting heeft geleid tot gefronste wenkbrauwen bij astronomen want men dacht dat kleine sterren niet een dergelijke grote uitbarsting konden vertonen.

De ster is bekend als J0331-27. Het is een zogenaamde L-dwerg. Dit zijn sterren met net voldoende massa om ster te kunnen zijn. Als dit sterretje wat minder massa zou hebben dan zou de ster niet in staat zijn om middels kernfusie zijn eigen energie op te wekken.

De uitbarsting is al op 5 juli 2008 waargenomen door de European  Photon Imaging Camera (EPIC) aan boord van de Europese XMM-Newton röntgentelescoop die zich in de ruimte bevindt. In slechts enkele minuten tijd produceerde de ster tien keer meer energie dan we van de meest krachtige zonnevlammen van onze Zon kennen. Deze uitbarsting is overigens pas onlangs gevonden toen men oudere data van de XMM-Newton opnieuw analyseerde.

Zonnevlammen ontstaan als het magneetveld van een ster instabiel wordt in ineenstort tot een eenvoudigere structuur. Bij dit proces komt heel veel energie vrij, deze energie was allemaal opgesloten in het magneetveld.

Dit explosief vrijkomen van energie zorgt voor een plotselinge toename van de helderheid, de zonnevlam, en dit zorgt meteen voor de grootste puzzel in de waarnemingen.

Volgens astronomen is de enorme zonnevlam het interessantste deel van de ontdekking. Men verwachtte niet dat L-dwergen zoveel energie in hun magneetvelden konden stoppen om dergelijke enorme uitbarstingen te veroorzaken.

Vergelijking van de grootte van een zonnevlam met de grootte van de Aarde
Een gigantische band van heet gas barst omhoog van de Zon, de band wordt door een onzichtbare lus van magnetisme geleid. Deze opmerkelijke opname werd op 27 juli 1999 gemaakt door de SOHO, de Solar and Heliospheric Observatory. De Aarde is ingetekend om de schaal van de opname goed weer te geven. Credit: SOHO (ESA/NASA).

De enige manier om energie in een magneetveld te plaatsen is door middel van geladen deeltjes. Deze deeltjes kennen we als geïoniseerd materiaal dat in een omgeving met een hoge temperatuur is gemaakt. Echter een L-dwerg als J0331-27 heeft, voor een ster, een lage oppervlaktetemperatuur van slechts 2100 Kelvin (het oppervlak van onze Zon heeft een temperatuur van ongeveer 6000 Kelvin). Astronomen dachten dat een dergelijke lage temperatuur onvoldoende zou zijn om genoeg geladen deeltjes te genereren om een dergelijke hoeveelheid energie in een magneetveld te voeden. De grote vraag is dus hoe het mogelijk is dat zo’n klein sterretje een zo’n enorm grote vlam kan veroorzaken.

De supervlam werd ontdekt in het data archief van de XMM Newton. De ontdekking werd gedaan door een onderzoeksgroep onder leiding van Andrea De Luca van het Institutio di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica (INAF) in Milaan. Het project bestudeerde de tijdelijke variabiliteit van ongeveer 400.000 bronnen die in een periode van 13 jaar door de XMM-Newton waren waargenomen.

De onderzoekers waren specifiek op zoek naar eigenaardige fenomenen en met J0331-27 hebben er zeker eentje gevonden. Er zijn een aantal dergelijke sterren bekend die zonnevlammen in het zichtbare deel van het spectrum hebben uitgestoten maar het is nu voor het eerst dat een dergelijke enorme uitbarsting in röntgengolflengtes is gezien.

De golflengte is belangrijk want hieruit is af te leiden uit welk gedeelte van de atmosfeer die supervlam afkomstig is: optisch licht komt van dieper uit de atmosfeer in de buurt van het zichtbare oppervlak terwijl röntgengolven uit de hogere delen van de atmosfeer komen.

Het begrijpen van de overeenkomsten en verschillen tussen deze nieuwe, en tot nu toe unieke, supervlam op de L-dwerg en voorheen waargenomen zonnevlammen die zijn waargenomen op sterren met een veel grotere massa heeft voor het onderzoeksteam nu de eerste prioriteit. Maar om verder te kunnen met het onderzoek hebben ze wel meer voorbeelden nodig.

Volgens de astronomen is er nog veel te ontdekken in de archieven van de XMM-Newton. Men denkt dat deze nu gevonden zonnevlam slechts het puntje van de ijsberg is.

Eén aanwijzing die de astronomen hebben is dat er maar één uitbarsting van J0311-27 is te vinden in de database van de XMM-Newton. De ster is echter in totaal ongeveer 3,5 miljoen seconden (ongeveer 40 dagen) waargenomen met de telescoop. Dit is merkwaardig want andere uitbarstende sterren hebben de neiging om ook veel meer kleinere uitbarstingen te ondergaan.

De gegevens wijzen erop dat een L-dwerg veel langer zijn energie kan opbouwen en die dan in één enorme uitbarsting kan vrijgeven. Sterren die vaker uitbarsten doen dit met minder energie. Deze L-dwerg lijkt maar heel af en toe uit te barsten maar doet dan dat wel met heel vele geweld. Waarom dit zo is kunnen astronomen nog niet beantwoorden. Er zal verder onderzoek gedaan moeten worden.

Artikel: Andrea De Luca et al. EXTraS discovery of an X-ray superflare from an L dwarf, Astronomy & Astrophysics (2020).

Eerste publicatie: 23 februari 2020
Bron: ESA