De laatste ademtocht van de Poolster

De poolster, die door de eeuwen heen het houvast vormde voor zeelieden en verdwaalde reizigers, is een pulserende ster. Het ziet ernaar uit dat hij langzaam uitzet, kouder wordt en tenslotte wellicht geheel uitdooft.

Polaris, de Poolster, is waarschijnlijk de meest bekende ster aan de hemel. Iedere heldere nacht wijst hij de richting naar het noorden. Minder bekend is dat de ster in de loop van vier dagen pulseert en daardoor afwisselend wat zwakker en helderder wordt.

Sterren die zich zo gedragen heten Cepheïden. Het pulseren gebeurt zo regelmatig, dat er ooit is voorgesteld om zulke sterren als tijdmeters te gebruiken. Maar zó constant lopen deze klokken toch ook weer niet en wat Polaris betreft: die staat zelfs op het punt om met pulseren te stoppen. Over de oorzaak daarvan tast men in het duister.

Als gevolg van zijn positie, vlak bij de noordelijke hemelpool, is de Poolster vanaf het noordelijk halfrond het gehele jaar door te zien. Daardoor kon al in 1843 de veranderlijke helderheid van deze ster worden ontdekt. De Nederlandse astronoom A. Pannekoek suggereerde in 1913 dat het om een pulserende ster ging. Het opmerkelijke is echter dat de amplitude van de lichtwisseling vele malen kleiner is dan die van de andere Cepheïden. In dit opzicht is Polaris een buitenbeentje. Daar kwam in de jaren veertig de ontdekking bij dat de amplitude steeds kleiner wordt.

Snelheidsvariatie

De mate van opzwelling en inkrimping van een pulserende ster kan niet alleen worden afgeleid uit de helderheidsvariatie, maar ook (en zelfs beter) uit de snelheidsvariatie. Uit de periodieke verschuiving van lijnen in het spectrum kan heel nauwkeurig de snelheid van het steroppervlak naar ons toe en van ons af worden bepaald. Deze lijnverschuiving ontstaat door het Dopplereffect: straling van een bron die naar ons toe beweegt lijkt een wat kortere golflengte te hebben dan straling van dezelfde bron die van ons af beweegt.

Uit de snelheidswaarnemingen is gebleken dat het steroppervlak vóór de jaren veertig pulseerde met een snelheid 2,5 km per seconde. De straal van de ster varieerde daarbij met ongeveer 14 procent. Daarna begon de pulsatie af te nemen, eerst langzaam maar sinds de jaren zestig steeds sneller. Volgens waarnemingen van John Fernie en zijn collega's, van het David Dunlap Observatory in Toronto, bedroeg de pulsatiesnelheid in 1992 nog maar 0,6 km per seconde. Ook de helderheidsverandering was daardoor afgenomen: in 1992 bedroeg hij nog maar 0,01 procent. Fernie voorspelde dat de Poolster begin 1994 zou stoppen met pulseren (Astroph. J. 416, p. 820).

Fotosfeer

Sterren als Polaris pulseren omdat er ergens ver onder hun oppervlak een (gas)laag zit die instabiel is. In het centrum van de ster is bijna al het gas geïoniseerd: alle atomen hebben er hun elektronen verloren. Aan de buitenkant van de ster, de fotosfeer, is het gas niet geïoniseerd. Ergens tussen die twee uitersten in ligt een overgangslaag, waarin de gassen slechts voor een deel zijn geïoniseerd.

Zo'n overgangslaag is instabiel: hij kan afwisselend warmer en koeler worden en daardoor uitzetten en inkrimpen. Als dat maar krachtig genoeg gebeurt, bewegen ook de oppervlaktelagen op en neer en is de ster een Cepheïde. Maar daarvoor moet de laag wel op de juiste diepte in de ster liggen. Dit betekent dat alleen sterren waarvan de oppervlaktetemperatuur binnen bepaalde grenzen ligt regelmatig kunnen pulseren.

Waarom stopt Polaris met pulseren? Sterren veranderen als ze ouder worden. Ook pulserende sterren veranderen. Uit heel nauwkeurige metingen heeft men afgeleid dat de pulsperiode van Polaris sinds het begin van deze eeuw heel langzaam toeneemt: gedurende de laatste jaren met bijna drie minuten per jaar. Dit betekent dat Polaris (afgezien van zijn pulsaties) langzaam groter wordt en dat heeft weer tot gevolg dat de temperatuur van zijn oppervlak daalt.

Steeds meer helium

Het ligt nu voor de hand te veronderstellen dat de Poolster stopt met pulseren omdat zijn oppervlaktetemperatuur buiten het gebied komt dat samenhangt met de ligging van eerdergenoemde overgangslaag in de ster: de 'motor' van de pulsaties. Maar Fernie heeft nu ook aangetoond dat Polaris zich nog midden in dit temperatuurgebied bevindt. Dat alleen kan dus niet de oorzaak zijn van het stoppen met pulseren.

De Utrechtse astronoom Henny Lamers meent dat de oplossing mede ligt in de inwendige samenstelling van de ster. Een ster kan tijdens zijn evolutie meerdere malen een periode van instabiliteit doormaken. Telkens zal de samenstelling van de ster dan wat zijn veranderd. Zo ontstaat er door de fusie van waterstof steeds meer helium in de ster. Dat kan men aan de buitenkant niet zien, maar zou wel kunnen doorwerken in de pulsaties.

'Stel nu dat Polaris in een andere evolutiefase is dan de meeste Cepheïden en een hoger heliumgehalte heeft. Dan zal de overgangslaag die verantwoordelijk is voor het aandrijven van de pulsaties dieper kunnen liggen dan bij normale Cepheïden. De lagen daarboven zullen de pulsaties dan grotendeels dempen. Misschien is dat wel de reden dat Polaris altijd al een veel kleinere pulsatie vertoonde dan de andere Cepheïden. Als de ster dan maar een beetje afkoelt, worden de pulsaties helemaal gedempt, precies zoals we nu waarnemen', aldus Lamers in het maartnummer van Zenit.

Eén keer heeft men waargenomen dat een Cepheïde (in het sterrenbeeld Giraf) met pulseren stopte, maar later weer begon. Deze ster verschilt echter nogal van de Poolster. Als de theorie van Lamers juist is, zal de Poolster nu definitief met pulseren stoppen. Toch zal men de ster in de toekomst zeker in de gaten blijven houden: zolang de oorzaak van het gedrag van Polaris niet met zekerheid bekend is, blijft de ster een uniek en dus onvoorspelbaar object.

Volgens de allerlaatste waarnemingen wordt het tijdstip van stoppen misschien nog even uitgesteld. 'De kromme door de waarnemingen voorspelt nu dat de pulsatie stopt (of in ieder geval te klein wordt om te kunnen worden gemeten) in 1997 ± 4 jaar', berichtte Fernie onlangs uit Toronto. De Poolster aarzelt dus nog even.

    • George Beekman