Conny Aerts kijkt naar bevende sterren en ziet zo hun binnenste

Conny Aerts | asteroseismoloog In sterren doen zich complexe trillingen voor. De studie naar die bevingen is ontstaan in België.

Conny Aerts in Leuven.
Conny Aerts in Leuven. Foto Katrijn Van Giel

Tot voor kort was het onmogelijk om de binnenkant van sterren te bestuderen, maar het onderzoeken van sterbevingen brengt daar verandering in. „In de klassieke sterrenkunde moesten we het doen met de straling die vanaf de oppervlakte van de ster naar ons toekomt, maar door de eigenschappen van sterbevingen te bestuderen kunnen we rechtstreeks binnenin de ster kijken”, vertelt Conny Aerts (55).

Aerts is hoogleraar aan de KU Leuven en de Radboud Universiteit en een van de pioniers van de asteroseismologie, het vakgebied dat zich bezighoudt met deze complexe trillingen in sterren om zo de binnenkant van de sterren te leren kennen. Pas sinds een jaar of vijftien kunnen we die bevingen op enige schaal meten en verwerken, maar het vakgebied heeft nu al fundamentele tekortkomingen in de sterfysica en -chemie aangetoond. De bijdrage van Aerts hieraan werd dit jaar in Nederland bekroond met een buitenlands lidmaatschap van de KNAW.

Hoe ontstaan die sterbevingen?

„Ze ontstaan op verschillende manieren. Ten eerste door convectieve bewegingen binnen in sterren en de drukgolven, een soort geluidsgolven, die daardoor ontstaan. Die vorm komen we vooral in sterren zoals de zon tegen. Ik zie voor dit soort golven vaak voor me als een concertzaal in een bol, waar dan iemand op een gong slaat. De convectieve bewegingen zijn dan de gong.

„Er zijn ook andere manieren om een sterbeving te maken, die zie je vooral in zwaardere sterren. Sterren hebben kernfusie diep in hun binnenste, dat creëert lichtdeeltjes, fotonen, die naar buiten stralen. Sommige sterren absorberen die stralingsenergie in bepaalde lagen en zetten die dan om in bewegingsenergie. Dat zijn graviteitsgolven. Die hebben veel langere periodes, en ze bewegen ook anders. Het zijn meer horizontale bewegingen, terwijl de geluidsgolven van binnen naar buiten gaan. Ik vergelijk de graviteitsgolven vaak met golven op zee. Als je een kurk in die golven legt, gaat deze vooral horizontaal bewegen.”

Ik vergelijk het vaak met een concert van een orkest. Ook daarin kan je als mens direct losse instrumenten herkennen

Hoe meten we die bevingen?

„De golven geven op en neer gaande bewegingen aan het oppervlak van de ster. Stel dat je een gasdeeltje bent op een ster en er komt een tsunami langs, dan ga je op en neer. Bij de grootste sterbevingen zijn die variaties tot wel 10 procent van de straal van de ster, maar in de zon is het maar een paar duizendsten van de straal. De satellieten die wij gebruiken meten geen op en neer gaande bewegingen, maar de variaties in helderheid veroorzaakt door die bewegingen. En dat is eigenlijk de oppervlaktetemperatuur, want de helderheid van de ster wordt wiskundig bepaald door de temperatuur tot de vierde macht.

„Als een gasdeeltje iets naar buiten beweegt wordt het iets kouder en als het naar binnen beweegt juist iets warmer, doordat het dan dichter bij de kern van de ster komt. De helderheid van de ster varieert daardoor steeds. We meten dus de fluctuaties rond de gemiddelde helderheid.

„Dat is het netto-effect samengesteld uit alle losse trillingen. We gebruiken tijdreeksmetingen met de helderheid van een ster als functie van de tijd. Uit die heel lange meetreeks halen we dan de frequenties van de verschillende bevingen die tegelijk plaatsvinden.

„In een ster meten we een heel complex patroon in de helderheid. Zo herkennen we de verschillende frequenties van de losse bevingen. Ik vergelijk het vaak met een concert van een orkest. Ook daarin kan je als mens direct losse instrumenten herkennen. Die losse frequenties worden bepaald door de interne fysica van een ster. De sterbevingen zijn dan ook niet het doel op zich, maar dat is mijn manier om de binnenkant van de sterren te kunnen bestuderen.”

Voor dit soort onderzoek hebben we heel lange meetreeksen nodig

Wat zeggen de bevingen daarover?

„De waarde van de frequentie van die trillingen wordt bepaald door de grootte van de ster, door de hoeveelheid materiaal die erin zit en door de chemie van de ster. We kunnen er heel veel uit leren.”

Het vakgebied is nog vrij jong, hoe is het ontstaan?

Trots: „Het is ontstaan in België. Op theoretisch vlak is het vakgebied al een jaar of 70 oud. De Luikse professor Paul Ledoux is de godfather van de sterbevingen. Hij maakte puur met potlood en papier berekeningen van hoe een bol zich zou gedragen als daar op- en neergaande bewegingen in zouden plaatsvinden.

„Maar we kunnen pas sinds kort de sterbevingen goed opmeten. Dat doen we nu ongeveer 15 jaar vanuit de ruimte met behulp van wetenschappelijke satellieten.

„De metingen van sterrenwachten zijn altijd onderbroken, doordat je de sterren overdag niet kan meten en de sterren ook niet heel de nacht zichtbaar zijn. Voor dit soort onderzoek hebben we juist heel lange meetreeksen nodig, omdat de bevingen van de sterren die ik interessant vind plaatsvinden met periodes van een dag tot twee dagen. Als je dan elke keer maar een paar uur kan meten, krijg je ze niet ontrafeld. Je hebt voor sommige types sterren echt jaren aan ononderbroken metingen nodig.”

Het beeld van de sterbevingen toont ons dat de sterfysica en -chemie die we nu hebben niet toereikend is

Wat zijn de successen tot nu toe?

„Een belangrijke ontdekking heeft te maken met de interne rotatie van de sterren, dat is een Leuvense ontdekking uit 2012. Als een ster ouder wordt, wordt zij groter. Je zou verwachten dat ze dan trager gaat draaien aan de buitenkant, vergelijkbaar met een kunstschaatser die z’n armen naar buiten doet bij een pirouette. De binnenkant zou dan juist sneller gaan draaien. Op basis van die theorie hebben we 30 jaar lang het leven van sterren voorspeld.

„We zien nu op basis van sterbevingen dat het tragere draaien aan de buitenkant wel klopt, maar het opspinnen aan de binnenkant gaat bij rode reuzen een factor honderd langzamer dan we dachten. We zagen dat op basis van verschuivingen in de frequenties van de bevingen. We zijn nog steeds op zoek naar het mechanisme wat dat trager draaien verklaart.

„Dat verschil in draaiing verandert de leeftijd die sterren kunnen hebben, omdat draaiing zorgt voor de vermenging van de chemische stoffen in de ster. Als je die draaiing fout hebt, heb je ook de chemie fout. Het beeld van de sterbevingen toont ons dus dat de sterfysica en -chemie die we nu hebben niet toereikend is.”

De Plato-missie van ESA in 2026 wordt de eerste grote missie die echt ontworpen is voor asteroseismologie. Wat zijn uw verwachtingen?

Aerts glundert als ze over de nieuwe missie praat. „Ik noem die missie ook weleens mijn derde kindje. Ik ben vanaf het eerste uur bij het project betrokken. Om sterbevingen goed te meten moet je een hoge cadans hebben qua metingen. Sterbevingen op de zon gaan bijvoorbeeld in 5 minuten op en neer, dan is om het half uur meten niet genoeg. Kepler [een eerdere ruimtetelescoop van NASA] kon bij vijfhonderd sterren tegelijk om de minuut meten. Plato kan honderdduizenden sterren tegelijk om de 25 seconden meten. Dat gaat een stortvloed aan nieuwe data opleveren.”