Astronomen die gebruik maken van de Very Large Telescope van ESO, hebben voor het eerst rechtstreeks granulatiepatronen waargenomen op het oppervlak van een ster buiten ons zonnestelsel – de oude rode reus π1 Gruis. Deze opmerkelijke nieuwe opname van het PIONIER-instrument toont de convectiecellen die het oppervlak vormen van deze enorme ster, die 350 keer zo groot is als de zon. Elke cel beslaat meer dan een kwart van de middellijn van de ster en is ongeveer 120 miljoen kilometer breed. Deze nieuwe resultaten worden deze week gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
De rode reus π1 Gruis is een koele ster in het sterrenbeeld Grus (Kraanvogel) op 530 lichtjaar van de aarde. Hij heeft ongeveer dezelfde massa als onze zon, maar is 350 keer zo groot en duizenden malen helderder [1]. Onze zon zal over ongeveer vijf miljard jaar opzwellen tot een soortgelijke rode reuzenster.
Een internationaal team van astronomen onder leiding van Claudia Paladini (ESO) heeft het PIONIER-instrument op de Very Large Telescope van ESO gebruikt om π1 Gruis gedetailleerder dan ooit tevoren waar te nemen. Daarbij is ontdekt dat het oppervlak van deze rode reus uit slechts een paar convectiecellen of granules bestaat, die elk ongeveer 120 miljoen kilometer breed zijn – ongeveer een kwart van de middellijn van de ster [2]. Eén zo’n granule zou zich uitstrekken van de zon tot voorbij Venus. De oppervlakken oftewel fotosferen van veel reuzensterren gaan schuil achter stof, wat de waarnemingen belemmert. Bij de nieuwe infraroodwaarnemingen van π1 Gruis speelde stof echter geen rol van betekenis, alhoewel zich ver van de ster wel degelijk stof bevindt [3].
Toen de waterstof in de kern van π1 Gruis geen lang geleden opraakte, sloot deze oude ster de eerste fase van zijn kernfusieprogramma af. Door gebrek aan energie kromp hij ineen, waardoor de temperatuur opliep tot meer dan 100 miljoen graden. Deze extreme hitte heeft de volgende fase aangewakkerd, waarbij helium tot zwaardere atomen zoals koolstof en zuurstof begon te fuseren. De intens hete kern verdreef vervolgens de buitenste lagen van de ster, waardoor deze tot honderden keren hun oorspronkelijke grootte opzwollen. De ster die we vandaag waarnemen is een veranderlijke rode reus. Het oppervlak van zo’n ster is nog nooit eerder gedetailleerd in beeld gebracht.
Ter vergelijking: de fotosfeer van de zon bestaat uit ongeveer twee miljoen convectiecellen, met afmetingen van slechts 1500 kilometer. Het enorme verschil in grootte tussen de convectiecellen van deze twee sterren kan gedeeltelijk worden verklaard door het verschil in zwaartekracht aan het steroppervlak. π1 Gruis heeft slechts 1,5 keer de massa van de zon, maar is veel groter. Dat resulteert in een veel geringere zwaartekracht aan het steroppervlak en slechts enkele, extreem grote granules. Waar sterren van meer dan acht zonsmassa’s hun leven afsluiten met een spectaculaire supernova-explosie, stoten minder zware sterren zoals deze geleidelijk hun buitenste lagen af, wat resulteert in prachtige planetaire nevels. Bij eerdere onderzoeken van π1 Gruis is op 0,9 lichtjaar van de centrale ster een schil van materie ontdekt, waarvan men aanneemt dat deze zo’n 20.000 jaar geleden is afgestoten. Deze relatief korte periode in het leven van een ster duurt slechts enkele tienduizenden jaren, wat schril afsteekt bij een totale levensduur van enkele miljarden jaren. Deze waarnemingen introduceren een nieuwe methode om die vluchtige rodereuzenfase te onderzoeken.
Noten
[1] De naam π1 Gruis volgt de zogeheten Bayer-aanduiding. In 1603 classificeerde de Duitse astronoom Johann Bayer 1564 sterren, en gaf hen een naam bestaande uit een Griekse letter gevolgd door de naam van het sterrenbeeld waar zij deel van uitmaakten. Doorgaans kregen deze sterren Griekse letters toegewezen in volgorde van hun schijnbare helderheid, waarbij de helderste de aanduiding Alfa (α) kreeg. De helderste ster van het sterrenbeeld Grus heet dan ook Alfa Gruis.
π1 Gruis maakt deel uit van een mooi tweetal sterren met contrasterende kleuren die vlak naast elkaar aan de hemel staan. De andere ster wordt natuurlijk π2 Gruis genoemd. Ze zijn helder genoeg om goed waarneembaar te zijn met een verrekijker. In de jaren 30 van de 19de eeuw merkte Thomas Brisbane op dat π1 Gruis zelf ook weer een compacte dubbelster is. Annie Jump Cannon, bedenker van het Harvard-classificatieschema, was de eerste die in 1895 melding maakte van het ongewone spectrum van π1 Gruis.
[2] Granules zijn patronen van convectiestromen in het plasma van een ster. Hete plasma die opstijgt vanuit het centrum van een ster, dijt uit en komt aan de oppervlakte, om vervolgens af te koelen, donkerder en dichter te worden en naar het centrum te dalen. Dit proces gaat miljarden jaren door en speelt een belangrijke rol in tal van astrofysische processen, zoals energietransport, pulsgedrag, sterrenwind en stofwolken op bruine dwergen.
[3] π1 Gruis is een van de helderste voorbeelden van de zeldzame S-klasse van sterren die werd geïntroduceerd door de Amerikaanse astronoom Paul W. Merrill, die sterren met net zulke ongebruikelijke spectra in één groep wilde onderbrengen. π1 Gruis, R Andromedae en R Cygni werden de prototypen van deze klasse. Van hun vreemde spectra is nu bekend dat ze het resultaat zijn van het zogeheten ‘s-proces’ of ‘trage neutronenvangstproces’ dat verantwoordelijk is voor de vorming van de helft van de elementen zwaarder dan ijzer.
