Wilde taferelen in bejaarde sterrenhopen

Rondom ons melkwegstelsel, een schijf van ruwweg honderd miljard sterren, bevinden zich vele bolvormige sterrenhopen. Elke hoop bestaat uit tienduizenden tot miljoenen sterren, opeengepakt in een betrekkelijk klein gebied in de ruimte. Een kleine tweehonderd van zulke sterrenverzamelingen zijn er nu bekend. Zouden we de film van het heelal versneld kunnen afdraaien, dan zouden we de bolvormige sterrenhopen grote, elliptische banen om het centrum van het Melkwegstelsel zien beschrijven, waarbij iedere omloop ongeveer tweehonderd miljoen jaar duurt.

Bolvormige sterrenhopen behoren tot de oudste objecten in het heelal. Ze zijn ongeveer 15 miljard jaar oud en ontstonden nog voordat ons melkwegstelsel zijn huidige, afgeplatte vorm had aangenomen. Ze ontstonden waarschijnlijk in de meer naar buiten gelegen delen van de kraamkamer van het melkwegstelsel: een enorme protogalactische wolk. Stervorming vindt er in de bolvormige sterrenhopen niet meer plaats, omdat de grondstoffen daarvoor (gas en stof) ontbreken. Bolhopen zijn als het ware gigantische bejaardenoorden voor sterren, waarin slechts de stilte van de oude dag heerst.

Toch blijkt die rust slechts schijn. Nu astronomen de sterrenhopen gedetailleerder kunnen waarnemen, blijkt zelfs dat het er wild toegaat. Nieuwe waarnemingen hebben aan het licht gebracht dat zich in de kernen van zulke hopen vele sterren bevinden die zich verjongen door paarvorming, of het opslokken van een soortgenoot. De ene partner kan de andere dermate opzwiepen, dat hij honderden malen per seconde om zijn as gaat draaien en een frisse "wind' door de hoop laat waaien. En wanneer sterren elkaar passeren, kan het ook gebeuren dat er één wordt weggeslingerd.

Overigens werd al meer dan veertig jaar geleden ontdekt dat er met bolvormige sterrenhopen iets vreemds aan de hand moest zijn. Hoewel de sterren alle even oud zouden moeten zijn, ruwweg 15 miljard jaar, werden er ook sterren in ontdekt die veel jonger leken: 1 tot 7 miljard jaar. Vanwege hun kleur (blauw) en hun jongere leeftijd werden ze blauwe achterblijvers genoemd. Ze zouden veel later dan hun soortgenoten moeten zijn ontstaan, hetgeen onmogelijk leek, of op een veel efficiëntere manier met hun energievoorraad (waterstof) moeten kunnen omspringen.

Een gewone ster verbruikt ongeveer 10% van de waterstof waaruit hij bestaat. Dat gebeurt via kernfusiereacties die plaatsvinden bij de zeer hoge drukken en temperaturen die in het centrum heersen. De meer naar buiten toe gelegen waterstof kan zich echter niet vermengen met die in het centrum en blijft dus ongebruikt. De blauwe achterblijvers zouden het echter voor elkaar moeten krijgen om vrijwel alle waterstof die zij bezitten in helium om te zetten. Dit zou betekenen dat zij zichzelf voortdurend moeten "omroeren', maar ook dat lijkt onmogelijk.

Het onderzoek naar deze blauwe achterblijvers maakte aanvankelijk weinig vorderingen, doordat het vanaf de aarde heel moeilijk is om individuele sterren te onderscheiden in de dichtbevolkte kernen van bolhopen. Met behulp van de Hubble Space Telescope, de Amerikaanse ruimtetelescoop die sinds april vorig jaar om de aarde draait, is dat nu gelukt. Met deze telescoop kan als gevolg van een constructiefout weliswaar niet zo scherp worden waargenomen als men had gehoopt, maar bij heldere, puntvormige objecten kan de beeldonscherpte nog redelijk goed worden gecorrigeerd.

Met deze ruimtetelescoop hebben onderzoekers van het Space Telescope Science Institute in Baltimore nu 21 blauwe achterblijvers ontdekt in het centrum van 47 Tucanae, een bolhoop op een afstand van 13.000 lichtjaar. Deze blauwe sterren blijken vrij zwaar te zijn en bovendien sterk naar het centrum van de hoop te zijn geconcentreerd. Dit ondersteunt de al eerder naar voren gebrachte hypothese dat deze merkwaardige sterren hun bestaan zijn begonnen als dubbelster. In de afgelopen jaren waren er namelijk al indirecte aanwijzingen gekomen dat zich in de centra van bolhopen opmerkelijk veel dubbelsterren bevinden.

In het centrum van de meest compacte sterrenhopen bevinden zich ongeveer een miljoen sterren in een gebied dat niet veel groter is dan dat tussen de zon en de meest nabije ster. De gemiddelde onderlinge afstand tussen de sterren ligt dan in de orde van enkele tientallen malen de afstand tussen Pluto en de zon. In zulke omstandigheden kan een ster die toevallig dicht langs een andere ster beweegt gemakkelijk in een vaste baan om die ster worden getrokken. En doordat zo'n dubbelster zwaarder is dan een enkelvoudige ster, zou hij zich geleidelijk naar het middelpunt van de bolhoop gaan bewegen.

Bij twee sterren die op korte afstand om elkaar heendraaien, treedt er een sterke getijdenkracht op. Daardoor zou de zwaardere component gemakkelijk waterstofgas van de lichtere component kunnen gaan aanzuigen. Ook zouden de twee componenten uiteindelijk op elkaar kunnen botsen en met elkaar versmelten, waardoor er één ster met een veel grotere brandstofvoorraad wordt gevormd. In beide gevallen zou er een ster ontstaan met een "opgestookte' kernfusiereactor. De ster zou zich verjongd hebben en het normale verouderingsproces lijken te tarten.

Dit scenario zou gelden wanneer twee gewone sterren elkaar ontmoeten. Maar er gebeuren nog veel spectaculairder dingen wanneer een van die sterren een neutronenster is: een zeer kleine (20 km diameter) maar superdichte sterdie het centrale restant is van een zware, geëxplodeerde ster. Uit de periodieke radiopulsen die zulke sterretjes uitzenden heeft men afgeleid dat zij snel om hun as draaien: gemiddeld éénmaal per seconde. Maar wanneer zo'n pulsar een begeleider krijgt en daarvan materie gaat aanzuigen, kan hij zodanig worden opgezwiept dat hij uiteindelijk honderden malen per seconde om zijn as gaat tollen: het is dan een millisecondepulsar geworden.

Millisecondepulsars komen niet zoveel voor. Maar astronomen die werkten met de grote radiotelescoop te Parkes (Australië) hebben nu tien van die objecten ontdekt in de bolvormige sterrenhoop 47 Tucanae. Alle hebben een pulsperiode, of rotatietijd, van minder dan 6 milliseconden, hetgeen zeer kort is. Het totale aantal van deze "opgezwiepte' pulsars moet vele malen groter zijn dan het nu ontdekte aantal. Ook dit wijst er op dat zich in bolvormige sterrenhopen talloze dubbelstersystemen hebben gevormd (en nog steeds zullen vormen), waarbij flinke hoeveelheden materie worden overgedragen.

Al deze onverwachte activiteit zou ook kunnen verklaren hoe het komt dat bolvormige sterrenhopen als geheel zo lang intact hebben kunnen blijven. Als er geen tegenkrachten zijn, zouden alle sterren in een bolhoop op den duur steeds dichter bij het centrum komen en zou hier een enorme massaconcentratie in de vorm van een zwart gat ontstaan: een gebied waaruit niets, zelfs geen straling, kan ontsnappen. Maar er zijn geen aanwijzingen dat zich in het centrum van bolvormige sterrenhopen zwarte gaten bevinden. Wat behoedt de bolhopen voor geleidelijke ineenstorting?

De recente ontdekkingen van blauwe achterblijvers en millisecondepulsars suggereren dat ook hier het verschijnsel dubbelster een belangrijke rol speelt. Berekeningen hebben aangetoond dat wanneer een enkelvoudige ster dicht langs een dubbelster beweegt, een van de twee componenten door de voorbijganger wordt meegenomen en de andere met een flinke snelheid wordt weggeslingerd. Wanneer dit katapultmechanisme miljoenen malen in een bolhoop is opgetreden, en dat is gezien de geringe afstand tussen de sterren niet onwaarschijnlijk, dan zou het fungeren als een soort veer die de bolhoop tegen ineenstorting beschermt. In 47 Tucanae zijn zelfs twee sterren ontdekt die op deze manier buitenwaarts lijken te zijn geslingerd.

En tenslotte zou de ontdekking van grote aantallen millisecondepulsars ook nog een antwoord kunnen geven op de vraag waarom er geen gas en stof in bolvormige sterrenhopen wordt gevonden. Sterren verliezen in de loop van hun bestaan, en vooral zo tegen het einde, onvermijdelijk materie. Een eenvoudige berekening laat zien dat zich in een gemiddelde bolhoop ongeveer honderd tot duizend zonsmassa's aan gas zou moeten bevinden. Ondanks naarstig speuren, met verschillende soorten telescopen in verschillende golflengtegebieden, heeft men echter niets kunnen vinden.

Volgens D.N. Spergel, van de universiteit van Princeton, zijn de millisecondepulsars hier debet aan. Deze uiterst snel rondtollende sterretjes zenden een grote hoeveelheid energie uit. Als zich in een bolvormige sterrenhoop enkele tientallen van deze pulsars bevinden, zoals nu bij 47 Tucanae is aangetoond, dan is slechts een klein deel van die energie voldoende om het gas dat door de gewone sterren wordt verloren weg te blazen. Het maakt niet uit of deze "wind' nu uit snel bewegende deeltje of uit elektromagnetische straling bestaat. Men zou dus kunnen zeggen dat de bewoners van bejaarde sterrenhopen zich niet alleen verjongen en elkaar in het rond slingeren, maar dat zij tevens hun stoepje aardig schoon weten te houden.

afb: Opname van de bolvormige sterrenhoop 47 Tucanae, die in het sterrenbeeld Toekan aan de zuidelijke hemelbol staat. De hoop staat op een afstand van 130.000 lichtjaar en is de op één na helderste bolhoop aan de hemel. (foto ESO)

afb: Schematische weergave van de verdeling van de bolvormige sterrenhopen rond de schijf van ons melkwegstelsel. Deze schijf heeft een diameter van ongeveer 100.000 lichtjaar en bestaat uit ongeveer honderd miljard sterren. Van enkele bolhopen is de baan rond het centrum van het melkwegstelsel aangegeven: één omloop duurt ongeveer tweehonderd miljoen jaar.