Een plek waar astronomen hun kennis en verwondering kunnen voeden: dat is een treffende omschrijving van de sterrenwacht op La Palma, een van de Canarische Eilanden. Het Instituut voor Sterrenkunde van de KU Leuven beheert daar de Mercator-telescoop, waarmee onderzoekers sterren gedurende lange periodes aan de hemel kunnen volgen en zo nieuwe inzichten verwerven in hun evolutie. De telescoop krijgt binnenkort een nieuwe buur, die een rol zal spelen in de zoektocht naar planeten zoals de onze. La Isla Bonita: astronomen onderschrijven de bijnaam van La Palma om meer redenen dan alleen de uitbundige natuurlijke schoonheid. De ligging van het eiland staat garant voor een stabiele hemel, minimale lichtvervuiling en een groot aantal heldere nachten. In Europa is er geen betere plek denkbaar voor wie naar de sterren wil kijken. Dat blijkt wel uit de ongeveer twintig telescopen die deel uitmaken van het Observatorio del Roque de los Muchachos. Het observatorium beslaat een oppervlakte van ongeveer 200 hectare en ligt 2400 meter boven zeeniveau, hoog genoeg om op de meeste dagen boven de bewolking te blijven. Met hun kenmerkende koepels wekken de behuizingen van de telescopen nieuwsgierigheid op.
Een kwestie van tijd
Dit geldt ook voor de Mercator-telescoop, die wordt beheerd door het Instituut voor Sterrenkunde van de KU Leuven. Het idee voor een eigen hightech-telescoop ontstond in de jaren 80. “Observatietijd op grote telescopen, zoals die van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht in Chili, is erg gewild”, legt professor Hans Van Winckel, voorzitter van de afdeling Natuurkunde en Sterrenkunde en directeur van de Mercator-sterrenwacht, uit. “Dat betekent dat je een telescoop maar voor een korte periode kunt gebruiken. Maar voor ons onderzoek naar variabele sterren en de evolutie van sterren is de factor tijd erg belangrijk: we willen sommige objecten jarenlang, zelfs decennialang kunnen observeren.” Daarom werd besloten dat de KU Leuven haar eigen telescoop op het noordelijk halfrond zou bouwen. Professor Christoffel Waelkens was de drijvende kracht achter dit initiatief. Aanvankelijk was het de bedoeling om de spiegel te gebruiken van een telescoop die in de jaren vijftig op het dak van het Premonstratenzercollege in de Naamsestraat was geplaatst, maar die bleek niet te voldoen aan de ambities van het project. Bij de bouw van de telescoop werkte Leuven samen met collega's uit Genève: qua hardware is de Mercator-telescoop een identieke tweelingbroer van een Zwitserse versie in Chili; technologisch zijn de tweelingbroers inmiddels uit elkaar gegroeid En zo werd besloten dat de KU Leuven haar eigen telescoop op het noordelijk halfrond zou bouwen.
Professor Christoffel Waelkens was de drijvende kracht achter dit initiatief. Aanvankelijk was het de bedoeling om de spiegel te gebruiken van een telescoop die in de jaren vijftig op het dak van het Premonstratenzercollege in de Naamsestraat was geplaatst, maar die bleek niet te voldoen aan de ambities van het project. Bij de bouw van de telescoop werkte Leuven samen met collega's uit Genève: qua hardware is de Mercator-telescoop een identieke tweelingbroer van een Zwitserse versie in Chili; technologisch zijn de tweelingbroers inmiddels uit elkaar gegroeid. De grootste uitdaging bleek het verkrijgen van de nodige handtekeningen onder de internationale samenwerkingsovereenkomsten voor een Vlaamse telescoop op La Palma. “De wetten die het universum beheersen, zijn eenvoudiger dan die van de politiek, en interessanter”, merkte Christoffel Waelkens destijds op. Toen de telescoop in 2003 eindelijk officieel werd ingehuldigd, was hij al twee jaar in gebruik.
Vingerafdruk
Mercator houdt dus al een kwart eeuw lang de hemel in de gaten. Dat oog is een spiegel met een diameter van 1,2 meter die het licht van hemellichamen opvangt en focust. Van groot belang voor het huidige onderzoek is de HERMES-spectrograaf, die de KU Leuven samen met verschillende partners heeft gebouwd en die sinds 2009 deel uitmaakt van de meetinfrastructuur. “Een spectrograaf werkt met het licht dat door de spiegel van de telescoop wordt opgevangen. Het instrument splitst het licht op in de samenstellende kleuren of golflengten, net zoals een prisma zonlicht breekt”, zegt professor Van Winckel. Het resultaat is een spectrum: een grafiek die kan worden beschouwd als een ‘vingerafdruk’ van de lichtbron. Een spectrum bevat bijvoorbeeld informatie over de chemische samenstelling van een ster: elk chemisch element in de atmosfeer van een ster absorbeert specifieke kleuren of golflengten van het door de ster uitgezonden licht, dus de kleuren in het spectrum vertellen ons welke atomen en moleculen wel of niet aanwezig zijn. Omdat de spectra gevoelig zijn voor temperatuur, vertellen ze ons ook hoe heet de ster is: hetere sterren zenden meer blauw licht uit, koelere sterren meer rood licht.
Astronomen kunnen het spectrum ook gebruiken om iets af te leiden over de snelheid en richting waarin sterren bewegen. Dat is te danken aan een lichte variant van het Doppler-effect, het fenomeen waarbij het geluid van een ambulancesirene steeds hoger klinkt naarmate deze dichterbij komt en steeds lager naarmate deze verder wegrijdt. De astronomische versie: wanneer een ster zich van de waarnemer verwijdert, verschuift het licht naar het rode uiteinde van het spectrum. Wanneer de ster naar de waarnemer toe beweegt, is er een verschuiving naar blauw.
Foto: Péter I. Pápics
Indicatorlampje
Deze meetgegevens zijn belangrijk voor verschillende onderzoeksprojecten, onder meer binnen de astroseismologie, een tak van de astronomie waarin de KU Leuven een uitstekende reputatie geniet. Net zoals seismologen aardbevingen kunnen gebruiken om de interne structuur en dynamiek van de aarde te bestuderen, doen astroseismologen hetzelfde met sterrenbevingen. Een ster kan gaan pulseren onder invloed van een ander object, bijvoorbeeld een nabije ster, maar de trillingen kunnen ook wijzen op een intern proces waarbij lagen van de ster voortdurend krimpen en uitzetten. Dit is het gevolg van een wisselwerking tussen veranderingen in de opaciteit, temperatuur en druk in die lagen. De pulsatie veroorzaakt op zijn beurt variaties in de helderheid van de ster: nuttig voor astronomen, omdat ze door dit ‘knipperen’ diepere lagen van sterren kunnen bestuderen. “Satellieten zoals CoRot, Kepler, TESS en, binnenkort, PLATO zijn uitgerust met fotometers die in kaart brengen hoe de helderheid van een ster in de loop van de tijd varieert”, zegt professor Van Winkel. “Hierdoor kunnen we de frequenties van de trillingen bepalen. En die vertellen ons iets over de structuur, de interne werking en de levenscyclus van de ster. Om de gegevens correct te interpreteren, hebben we ook informatie nodig over de chemische samenstelling en de temperatuur van de ster, en over de zwaartekracht die hij uitoefent op de objecten in zijn omgeving. Hiervoor gebruiken we de HERMES-spectrograaf.”
Kernwaarden
Die samenwerking tussen satellieten en meetinstrumenten op aarde heeft nieuw licht geworpen op verschillende eigenschappen van sterren, waaronder de interne rotatie van sterren. “Een ster is geen vast lichaam, maar bestaat uit gas, wat betekent dat de kern van de ster anders kan roteren dan de mantel. En deze rotatie beïnvloedt het gedrag en de evolutie van de ster”, legt Van Winckel uit. Een massieve ster met de naam HD129929 speelde een belangrijke rol in dit verhaal. Deze ster was een interessant studieobject omdat hij grote variaties in trillingen vertoont. Twintig jaar geleden ontdekte Conny Aerts, een autoriteit op het gebied van asteroseismologie, een patroon in de variërende helderheid van de ster en daarmee ook in zijn trillingsfrequenties. Deze ontdekking was deels gebaseerd op tientallen jaren van observaties door Christoffel Waelkens. Aan de hand van dit patroon kon ze aantonen dat de kern van de ster meer dan drie keer zo snel draait als de buitenste schil. Dit was de eerste keer dat de interne rotatie van een andere ster dan de zon werd waargenomen.
Deze ontdekking zorgde voor een enorme toename van onderzoek op dit gebied, mede dankzij satellieten zoals Kepler en TESS, die duizenden sterren hebben geobserveerd. In combinatie met aanvullende metingen, waaronder die van de Mercator-telescoop, leverde dit een schat aan gegevens op over de interne rotatie van honderden sterren. Het levert ook informatie op over hun levensverwachting, een eigenschap die sterk wordt beïnvloed door interne rotatie. "Jonge sterren draaien van binnen veel sneller dan hun oppervlakte-rotatie doet vermoeden. Dit resulteert in extra vermenging van materiaal tussen de kern van de ster en zijn mantel. Deze vermenging voorziet de kern van extra waterstof voor kernfusie, waardoor de ster een langer leven krijgt. Bij oudere sterren zie je dat ze in een ‘energiecrisis’ terechtkomen: de waterstof in de kern raakt op en de kernreactor valt stil. Hierdoor krimpt de kern en gaat hij sneller draaien, tot wel tien keer sneller dan de buitenkant. Met dergelijke waarnemingen van het binnenste hebben we de leeftijd van talrijke sterren kunnen bijstellen."
Een zware klus
Een ander aandachtspunt van het Leuvense onderzoek: meervoudige sterren of dubbelsterren, systemen waarin twee of meer sterren om elkaar heen draaien. De massa's van de sterren bepalen het zwaartepunt en het traject van hun wederzijdse ‘dans’. “Elke massieve ster heeft een ‘metgezel’. Dat geldt voor minstens de helft van de sterren van het type van onze zon”, zegt professor Van Winckel. De HERMES-spectrograaf kan dubbelsterren detecteren omdat je in hun spectra kunt zien hoe ze afwisselend naar ons toe en van ons weg bewegen. Sinds HERMES in gebruik is genomen, hebben de Leuvense astronomen honderden dubbelsterren kunnen identificeren en karakteriseren. Zonder dubbelsterren zou de aarde niet de aarde zijn. Chemische elementen zoals ijzer, titanium, chroom en zink worden gemaakt in sterren, en vooral in dubbelsterren. Als witte dwergen, compacte ‘stervende’ sterren die hun nucleaire brandstof hebben verbruikt, deel uitmaken van een dubbelstersysteem, kunnen ze aan het einde van hun evolutie exploderen. Dit gaat gepaard met kernfusiereacties die de bovengenoemde elementen creëren, die ingrediënten worden in de vorming van planeten. “Binaire sterren hebben dus een belangrijke rol gespeeld in de geschiedenis van onze chemische samenstelling”, zegt professor Van Winckel. “Maar het reconstrueren van die geschiedenis is een moeilijke klus. We weten nog niet precies hoe de interactie tussen twee sterren in een binair sterrenstelsel werkt.”
Het ‘gedrag’ van dubbelsterren is moeilijk te rijmen met wat we weten over de getijde-effecten die optreden tussen twee hemellichamen. Een bekend effect van getijdenkrachten is dat ze ervoor kunnen zorgen dat elliptische banen van sterren geleidelijk cirkelvormig worden. “Maar in ons onderzoek naar dubbelsterren zien we deze ‘circularisatie’ vaak niet waar we die volgens onze evolutiemodellen zouden verwachten”, zegt Van Winckel. “Het ontwikkelen van een sluitende theorie over de impact van dit getijde-effect is een van de uitdagingen van ons onderzoek, en metingen met de Mercator-telescoop zullen daarbij een belangrijke rol spelen.”
Sterven om te baren
Van Winckel en zijn collega's besteden momenteel bijzondere aandacht aan de schijven van stof en gas die geëvolueerde dubbelsterren omringen. Dit zijn dubbelsterren waarin de hoofdster, een ster die op weg is om een witte dwerg te worden, sterft en zijn buitenste lagen afstoot. De uitgestoten materie vormt een platte, roterende schijf, die de chemische samenstelling en baan van beide sterren beïnvloedt. “We onderzoeken nu precies hoe al deze interacties werken”, zegt hij. Met behulp van infraroodinstrumenten van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht ontdekten de Leuvense astronomen ook dat deze schijven van materie soms holtes vertonen. Dit kan erop wijzen dat er planeten ontstaan in de schijven en dat deze de materie opruimen. Dit is verrassend, omdat planeten voornamelijk ontstaan in schijven van materie rond jonge sterren. Het lijkt erop dat stervende sterren ook planeten kunnen voortbrengen, in de ‘tweede generatie schijf’ die ze aan het einde van hun levenscyclus produceren. Het ‘gedrag’ van dubbelsterren is moeilijk te rijmen met wat we weten over de getijde-effecten die optreden tussen twee hemellichamen. Een bekend effect van getijdenkrachten is dat ze ervoor kunnen zorgen dat elliptische banen van sterren geleidelijk cirkelvormig worden. “Maar in ons onderzoek naar dubbelsterren zien we deze ‘circularisatie’ vaak niet waar we die volgens onze evolutiemodellen zouden verwachten”, zegt Van Winckel. “Het ontwikkelen van een sluitende theorie over de impact van dit getijde-effect is een van de uitdagingen van ons onderzoek, en metingen met de Mercator-telescoop zullen daarbij een belangrijke rol spelen.”
Terug naar de Mercator-telescoop: deze wordt ook gebruikt om de antecedenten van zwaartekrachtgolven te ontrafelen, kleine rimpelingen in het ruimteweefsel die worden gegenereerd door hoogenergetische verschijnselen zoals samensmeltende zwarte gaten. De telescoop kan dubbelstersystemen detecteren die zich in de voorbereidende fase van dat laatste proces bevinden: de zwaardere ster is al onder zijn eigen zwaartekracht ineenstort tot een zwart gat, de andere ster heeft dat punt nog niet bereikt. “De ster beweegt zich dan op zo'n manier dat de enige verklaring kan zijn dat zijn metgezel een zwart gat is: zo kunnen we een zwart gat ‘vinden’ zonder het te zien”, legt Van Winckel uit. "We hebben al verschillende systemen gevonden waarvan we vermoeden dat ze een zwart gat bevatten. Het is nog niet duidelijk welke evolutionaire processen uiteindelijk zouden kunnen leiden tot de fusie van de twee zwarte gaten. Daarvoor zouden ze namelijk dicht bij elkaar moeten staan, terwijl in de systemen die we hebben gevonden de afstand tussen de nog levende ster en het vermoedelijke zwarte gat relatief groot is. We hebben ook verschillende kandidaat-zwarte gaten kunnen ontmaskeren: in die gevallen bleken het geen zwarte gaten te zijn, maar sterrenkernen." Zwarte gaten en zwaartekrachtgolven zijn een hot topic: ze staan ook centraal in het onderzoek van het onlangs opgerichte Leuven Gravity Institute, dat meewerkt aan de nog te bouwen Einstein Telescope. Dit wordt Europa's meest geavanceerde observatorium voor zwaartekrachtgolven.
Negen ton
De Mercator-telescoop heeft inmiddels ongeveer 500 publicaties opgeleverd. Promovendi en onderzoekers gaan meestal tien dagen, of liever gezegd nachten, naar La Palma. Ze worden verwelkomd en rondgeleid door ondersteunend astronoom Saskia Prins en elektrotechnisch ingenieur Jesus Perez Padilla, twee medewerkers van de KU Leuven die een vast kantoor hebben op La Palma. Onderzoekers verblijven in een ‘residencia’, die iets lager ligt dan de telescopen. Vanaf deze basis is het iets minder dan drie kilometer, te voet, met de fiets of met een 4x4, naar de Mercator-telescoop. Een observatienacht heeft weinig te maken met klassiek sterrenkijken. “De telescoop heeft zelfs geen oculair meer”, zegt Van Winckel. De astronoom moet er vooral voor zorgen dat de technologie precies doet wat ze moet doen. “De spectrograaf moet bijvoorbeeld drie keer per nacht worden gekalibreerd. Want als we precies willen weten welke golflengte van het licht op elke pixel van de detector valt, moet dat instrument nauwkeurig worden afgesteld.”
Professioneel sterrenkijken is tegenwoordig grotendeels geautomatiseerd: de telescoop is semi-robotisch. “Dat technische aspect is een van de sterke punten van de KU Leuven. In het kader van het doctoraat van Wim Pessemier hebben we een besturingssysteem ontwikkeld dat ervoor zorgt dat de telescoop alle commando's correct interpreteert en dat hij de ster in het midden van zijn gezichtsveld houdt”, zegt Van Winckel. Geen geringe prestatie als je bedenkt dat de telescoop een bewegende massa van 9.000 kilogram heeft. “Met onze expertise op dit gebied werken we momenteel aan een besturingssysteem voor een instrument van de Extremely Large Telescope, die door de Europese Zuidelijke Sterrenwacht in Chili wordt gebouwd.”
Nachtelijk rapport
KU Leuven krijgt het grootste deel van de observatietijd van de Mercator-telescoop, ongeveer 65%. De rest van de observatietijd gaat naar een aantal internationale partners en programma's. Er is één overkoepelend principe: iedereen observeert voor iedereen. "Er lopen verschillende programma's tegelijkertijd die de waarnemer zo goed mogelijk moet uitvoeren, allemaal op basis van een lijst met te observeren objecten. Sommige projecten vereisen één meting om de tien nachten, andere om de zes maanden“, legt Van Winckel uit. ”Wat je wel en niet kunt meten, hangt onder andere af van het weer, dus het observatieschema voor een nacht moet regelmatig worden aangepast. De waarnemer schrijft ook elke keer een nachtelijk verslag." Poëtische mijmeringen worden buiten het verslag gelaten, maar voor veel onderzoekers zijn de nachten op La Palma inderdaad een bron van verwondering. Dat geldt ook voor professor Van Winckel. “Een verblijf ziet er voor mij weliswaar iets anders uit dan voor de gemiddelde waarnemer, omdat ik verantwoordelijk ben voor de Mercator-telescoop. Naast de observaties 's nachts heb ik overdag vaak vergaderingen met het lokale personeel. Toch kan ik nog steeds genieten van het feit dat ik me op die opmerkelijk donkere plek op aarde bevind en naar de Melkweg kan staren. Dan herinner je je weer waarom je dingen meet.”
Dankzij de dip
De Mercator-telescoop krijgt binnenkort een nieuwe buur op La Palma: KU Leuven leidt een internationaal consortium dat MARVEL bouwt, een instrument dat zal bestaan uit vier telescopen en een spectrograaf. Het zal een belangrijke bijdrage leveren aan de wetenschappelijke bevindingen van verschillende ambitieuze ruimtemissies die momenteel in ontwikkeling zijn: PLATO zal potentieel bewoonbare exoplaneten en hun moedersterren in kaart brengen, waarna ARIEL de atmosferen van geselecteerde exoplaneten zal onderzoeken op moleculen die leven mogelijk maken. De KU Leuven speelt een belangrijke rol in beide projecten, die samen een antwoord willen geven op de astrofysische vraag van deze eeuw: hoeveel sterren in onze Melkweg hebben planeten die vergelijkbaar zijn met de aarde, planeten waarop leven mogelijk is?
Je kunt een exoplaneet waarnemen tijdens zijn transit, het moment waarop de planeet tussen ons en zijn moederster passeert. Tijdens zo'n transit blokkeert de planeet een deel van het licht van zijn zon. De diepte van de dip in de lichtkromme van de ster, of hoeveel licht er wordt geblokkeerd, vertelt ons hoe groot de planeet is ten opzichte van de ster. Met andere woorden, de grootte van de planeet. Maar zelfs met die kennis weten we nog niet wat de massa en dichtheid van de planeet zijn, en dat is wat MARVEL ons moet vertellen. "Een ster beweegt onder invloed van de zwaartekracht van de planeet die eromheen draait: hij wiebelt. Dit verandert ook de golflengte van het licht dat door de ster wordt uitgezonden, en we kunnen deze verschuivingen in het spectrum meten met de spectrograaf", zegt Van Winckel. Door de gemeten ‘wiebelfrequenties’ naast de lichtkromme te onderzoeken, kunnen astronomen ook de massa en dichtheid van de planeet afleiden. Het zijn vooral de grootte en dichtheid die aanwijzingen geven over de samenstelling van de planeet, en dus over hoe ‘aardachtig’ deze is.
Bron: KU Leuven
