Kosmisch langs de meetlat

De afstanden tot sterren diep in het heelal hebben al een onnauwkeurigheid van tientallen procenten. Nu zijn er nieuwe twijfels over de kilometerpaaltjes in het heelal. Eddy Echternach

De afstandmeting in het heelal is minder nauwkeurig dan sterrenkundigen de laatste jaren dachten. Twee soorten hemelobjecten die als ‘kilometerpaaltjes’ worden gebruikt geven toch niet zulke betrouwbare afstandssignalen. Dat bleek tijdens het vorige week in Seattle gehouden congres van de American Astronomical Society.

Veelgebruikte ijkpunten voor de afstandsmeting in het heelal zijn ontplofte witte dwergen en de cepheïden. De cepheïden zijn grote sterren die met ieder hun eigen strakke regelmaat helderder en zwakker schijnen. De pulssnelheid is een maat voor hun grootte en alles gecombineerd is het makkelijk om daarmee hun afstand tot de aarde te bepalen. Geëxplodeerde witte dwergen worden geacht allemaal even groot en even helder te zijn. Hun op aarde gemeten helderheid is daarom een goede maat voor hun afstand. Maar over zowel de oude witte dwergen als de cepheïden is nu twijfel gerezen.

Om de eigenschappen van hemellichamen te kunnen onderzoeken, moeten astronomen hun afstanden kennen. Alleen dan laat zich bijvoorbeeld vaststellen of de ene ster ook werkelijk meer licht uitzendt dan de andere, of toevallig alleen maar een stuk dichterbij staat.

Het probleem is echter dat het heelal enorm groot is. Het licht van de verste sterrenstelsels, dat met een snelheid van 300.000 kilometer per seconde door de ruimte vliegt, heeft er miljarden jaren over gedaan om ons te bereiken. De afstand die het licht in de ruimte in een jaar tijd aflegt (ongeveer 9.000 miljard kilometer) is daardoor een afstandmaat in het heelal geworden. De verste uithoeken van het heelal liggen op een afstand van miljarden lichtjaren. Zulke afstanden gaan niet alleen ieder voorstellingsvermogen te boven, ze zijn ook niet rechtstreeks meetbaar.

Binnen ons zonnestelsel kan dat wel, dankzij laser- en radarmetingen. De afstand van de maan tot de aarde is zelfs tot op de millimeter te bepalen. Buiten ons zonnestelsel loopt de onnauwkeurigheid van rechtstreekse afstandsmetingen, die op ouderwetse driehoeksmeting berusten, al snel in de tientallen procenten. En ze reiken niet verder dan een paar duizend lichtjaar.

Om toch grotere afstanden te kunnen meten, maken astronomen vaak gebruik van secundaire afstandsindicatoren, die standaardkaarsen worden genoemd. Dat wil zeggen: hemelobjecten waarvan de lichtkracht – de werkelijke helderheid – vastligt. Voor zover bekend dan.

ZWELLEN EN KRIMPEN

Een veelgebruikte klasse van standaardkaarsen is die van de cepheïden – reusachtige sterren die met grote regelmaat zwellen en krimpen, waardoor ze afwisselend zwakker en helderder worden. Vrijwel precies een eeuw geleden ontdekte de Amerikaanse astronoom Henrietta Leavitt dat een cepheïde trager pulseert naarmate zijn gemiddelde lichtkracht groter is.

Met deze kennis waren de cepheïden geschikt als kosmische meetlat. Door op het pulseren van een cepheïde te letten, kom je zijn lichtkracht te weten. En door deze te vergelijken met zijn schijnbare helderheid aan de hemel, kan zijn afstand worden berekend. Zo gebruiken astronomen de verspreid staande cepheïden om de afstanden tot naburige sterrenstelsels te bepalen.

Er schuilt echter een addertje onder het gras, bleek uit recente waarnemingen met de Amerikaanse infraroodsatelliet Spitzer. Het ‘prototype’ van alle cepheïden, de ster Delta Cepheï, blijkt ruwweg een biljoen ton materie per seconde uit te stoten – een miljoen keer zoveel als onze zon. Daardoor heeft hij zich gehuld in een wolk van gas en stof, die zijn werkelijke helderheid maskeert. En ongeveer een kwart van alle cepheïden doet dat.

Raken de cepheïden daarmee hun status als standaardkaars kwijt? Volgens onderzoeksleider Massimo Marengo van Iowa State University zal het zo’n vaart niet lopen. “Op zichtbare golflengten levert het stof slechts een kleine extra bijdrage aan de toch al tredende helderheidsafname ten gevolge van het stof tussen de sterren”, legt hij per e-mail uit. “In het infrarood is er een veel groter effect, omdat dit warme stof daar juist veel extra straling produceert. Hierdoor kan de cepheïde tot wel 40 procent helderder lijken dan hij is!” Dat heeft belangrijke consequenties voor het onderzoek met de James Webb-ruimtetelescoop, die in 2014 of 2015 het stokje van de Hubble-ruimtetelescoop moet overnemen. Omdat Hubbles opvolger uitsluitend in het infrarood waarneemt, zullen zijn helderheidsmetingen van cepheïden dus voor het stofeffect gecorrigeerd moeten worden.

De andere standaardkaars die onder vuur is komen te liggen, is de supernova van type Ia. Zo’n supernova is het gevolg van de catastrofale explosie van een witte dwergster die, door materie van een begeleidende ster op te slokken, een kritische massa heeft bereikt. Het gevolg is een thermonucleaire kettingreactie, vergelijkbaar met de ontploffing van een waterstofbom.

Het licht van deze supernovae is tot op miljarden lichtjaren waarneembaar. En omdat ze allemaal dezelfde oorzaak hebben, zouden ze theoretisch ook dezelfde lichtkracht moeten bereiken. Dat maakt supernovae van type Ia bij uitstek geschikt voor het bepalen van de afstanden van verre sterrenstelsels.

Ook nu toont de praktijk zich echter weerbarstig: supernovae van type Ia vertonen subtiele verschillen. Zo bestaat er een duidelijk verband tussen de snelheid waarmee de ontploffende witte dwerg helderder wordt en weer afzwakt en zijn maximale helderheid. Maar zelfs als voor dit effect wordt gecorrigeerd, zijn de verschillen nog niet helemaal weggewerkt.

RODER

Sommige supernovae van type Ia zijn roder van kleur dan andere, wat tot nu toe werd toegeschreven aan de verstrooiing van hun licht door interstellair stof. Uit onderzoek door Ryan Foley van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge (VS) blijkt echter dat de ene supernova van zichzelf al roder is dan de andere. Dat zou komen doordat de explosiewolk van de witte dwergster niet volkomen symmetrisch is. Afhankelijk van de hoek waaronder we tegen de supernova aan kijken, lijkt deze daardoor een iets andere kleur te vertonen.

Dat laatste kan gevolgen hebben voor de afstanden die voor deze supernovae zijn gemeten. “Door ervan uit te gaan dat de gehele kleurverandering voor rekening komt van stof, is er mogelijk een systematische fout in onze afstandsmetingen geslopen”, aldus Foley. Hoe groot deze afwijking is, moet nog blijken. Maar omdat supernovae van type Ia een cruciale rol spelen bij de ontdekking dat ons heelal versneld uitdijt, zou de fout ook van invloed zijn op de verklaring van deze versnelling, die aan de zogeheten donkere energie wordt toegeschreven.

Foley, die binnenkort hoopt te kunnen beginnen met het corrigeren van reeds bestaande gegevens van supernova-explosies, denkt overigens dat de schade beperkt zal zijn. “Ik verwacht niet dat de globale conclusies zullen veranderen”, zegt hij. “Maar het kan gevolgen hebben voor de subtiele verschillen tussen de diverse verklaringsmodellen.”