Superreuzen en hyperreuzen zijn de allerzwaarste sterren in het heelal. Wist je dat hyperreuzen net ‘dikke BMW’s’ zijn en hun brandstof in korte tijd opstoken? En dat de grootste hyperreus verder reikt dan de baan van Saturnus? 11 boeiende weetjes over de grootste sterren in het universum.

Deze week overleed astronoom Kees de Jager op 100-jarige leeftijd. Hij werd ook wel de ‘superreus’ onder de astronomen genoemd, omdat De Jager veel betekende voor het onderzoek naar super- en hyperreuzen. In 2017 verscheen een artikel van Kees de Jager over deze bijzondere sterren. “Het is bijna niet voor te stellen: sterren die één miljoen keer helderder zijn dan de zon,” schrijft De Jager. “Maar ze bestaan echt!” Ter nagedachtenis aan De Jager staat Scientias.nl dit weekend in het teken van deze bijzondere sterren.

Wat zijn superreuzen en hyperreuzen?
Superreuzen en hyperreuzen zijn de allerzwaarste en allergrootste sterren in het heelal. Het zijn reuzen in vergelijking met onze zon, die een vrij gemiddelde dwergster is. “Hun eigenschappen laten zich alleen in superlatieven beschrijven,” vertelt De Jager in zijn artikel. “Zij werpen een heel eigen licht op de evolutie van de allerzwaarste sterren.”

Enkele reuzensterren op een rij. Van links naar rechts: Cygnus OB2 #12, V382 Carinae, V915 Scorpii, UY Scuti en Stephenson 2-18. Ter vergelijking: de oranje lijn is de baan van Saturnus, de blauwe lijn is de baan van Neptunus.

#1 De grootste hyperreus is Stephenson 2-18
Stephenson 2-18 is 2.150 keer breder dan de zon, wat betekent dat de zon bijna 10 miljard keer in de superreus past. Stel, we plaatsen Stephenson 2-18 in het centrum van het zonnestelsel, dan zou zijn fotosfeer – de diepste laag van de atmosfeer van een ster – verder dan de baan van Saturnus reiken. Stephenson 2-18 maakt onderdeel uit van de Melkweg, maar is 18.900 lichtjaar van de aarde verwijderd en bevindt zich in een cluster met 25 andere superreuzen. De tweede grootste ster is LGGS J004539.99+415404.1 in het Andromedastelsel. Deze ster is 1.980 tot 2.377 keer breder dan de zon. Op de voorlopig derde plaats staat MSX LMC 597 in de Grote Magelhaense Wolk, een satellietstelsel van onze Melkweg. MSX LMC 597 is 1.882 tot 1.953 keer breder dan de zon.

Stephenson 2-18 is hier in het midden te zien. Foto: 2MASS Survey.

#2 De allereerste sterren in het heelal waren hyperreuzen
Kort na de oerknal was het universum nog donker en warm, maar langzaam koelde het uitdijende heelal af en werden de eerste sterren geboren. In het begin waren er alleen nog hele simpele elementen, zoals waterstof, helium en een beetje lithium. Uit observaties van CR7 (een jong sterrenstelsel in het vroege universum) blijkt dat in wolken zonder zware metalen grote sterren ontstonden die honderden of zelfs duizend keer zwaarder waren dan de zon. Deze populatie-III-sterren leefden heel kort – mogelijk enkele honderdduizenden jaren – maar zijn wel belangrijk geweest voor de ‘evolutie’ van het universum. Deze sterren zetten lichte elementen in korte tijd om in zwaardere elementen, zoals zuurstof, stikstof, koolstof en ijzer. Zonder deze elementen waren wij er niet geweest, want ze zijn heel belangrijk voor het ontstaan van leven.

Artistieke impressie van CR7: het helderste sterrenstelsel in het vroege universum.

#3 De bekendste superreus is… Betelgeuze
Betelgeuze is 764 keer breder dan de zon. Stel, we plaatsen Betelgeuze in het centrum van het zonnestelsel, dan zou zelfs Mars opgeslokt worden door de rode superreus. Betelgeuse is de helderste rode superreus vanaf het aardoppervlak en maakt onderdeel uit van het sterrenbeeld Orion. Je kunt de ster dus vrij eenvoudig zien op een heldere winteravond. Sterker nog: als je naar Betelgeuze kijkt, dan heeft de ster een rode kleur ten opzichte van bijvoorbeeld de ster Rigel in hetzelfde sterrenbeeld. Betelgeuze is opvallend goed zichtbaar, omdat de afstand tussen de zon en Betelgeuze relatief klein is: circa 600 lichtjaar. Deze nabije ster staat op het punt van ontploffen, maar daar hoef je niet wakker van te liggen. De afstand is gelukkig groot genoeg en het kan nog miljoenen jaren duren. Het grote voordeel van een nabije reuzenster is dat Betelgeuze vaak in detail wordt bestudeerd door astronomen. Zo begon de helderheid in oktober 2019 plotseling af te nemen, wat mogelijk kwam door een grote uitbarsting op de ster. Ook maakten astronomen in het verleden een prachtige foto van Betelgeuze, waarop te zien is hoe de reuzenster een enorme gasbel de ruimte in blaast.

Opname van Betelgeuze met de Very Large Telescope. De gasbel is hier duidelijk zichtbaar. Afbeelding: ESO / P. Kervella.

#4 Hyperreuzen zijn ‘dikke BMW’s’
Hyperreuzen zijn geen zuinige sterren, waardoor ze ook niet oud worden. Onze zon is 4,6 miljard jaar oud en zal waarschijnlijk nog wel vijf miljard jaar schijnen. Hyperreuzen stoken hun brandstof er in een rap tempo doorheen en leven daardoor erg kort, namelijk slechts een paar miljoen jaar. “Hoe meer massa een ster heeft, des te meer nucleaire brandstof een ster heeft en des te sneller de ster deze brandstof verbrandt”, vertelt professor Steve Eikenberry. Juist omdat hyperreuzen relatief kort leven, zijn ze zeer zeldzaam.

#5 Rode superreuzen zijn koeler dan de zon
Het oppervlak van de zon heeft een temperatuur van 6.000 graden Celsius. Rode superreuzen zijn veel koeler en hebben een oppervlaktetemperatuur van circa 3.000 graden Celsius. Dit betekent dat de sterren koeler zijn dan sommige exoplaneten, zoals exoplaneet Kepler-70b. Een mooi voorbeeld is de ster Betelgeuze in Orion. Deze ster is 100.000 keer zo helder als de zon, maar zijn oppervlaktetemperatuur ligt iets boven de 3000 Kelvin, wat neerkomt op ongeveer 2750 graden Celsius.

In dit Hertzsprung-Russelldiagram zijn de verschillende soorten sterren te zien. Van links naar rechts neemt de temperatuur af. De verticale as laat de absolute helderheid van de sterren zien. Er is sprake van een lijn: van heet en lichtsterk (linksboven) naar koel en minder helder. Dit wordt de hoofdreeks genoemd. De meeste sterren in het heelal zijn zogenoemde ‘dwergsterren’ en maken onderdeel uit van de hoofdreeks. Ook onze zon is een dwergster. De grootste sterren (Ia en Ib) wijken af van de hoofdreeks en zijn veel zeldzamer.

#6 Hyperreuzen veranderen aan het eind van hun leven in hypernova’s
Aan het eind van het leven van een ster is er niet genoeg nucleaire brandstof meer en wordt de kern steeds zwaarder doordat zijn eigen massa richting de kern stroomt. Aangezien een ster geen energie meer produceert, kan het object geen tegendruk geven tegen de enorme druk van de zwaartekracht. Uiteindelijk stort de kern van de ster in elkaar en ontstaat er een supernova. In het geval van hyperreuzen worden er zelfs hypernova’s gevormd. Hypernova’s zijn de zwaarst bekende explosies in het heelal (als we de oerknal niet meerekenen). De kracht van een explosie is honderd keer groter dan die van een supernova. Een hypernova schijnt korte tijd veel feller dan een heel sterrenstelsel vol met miljarden sterren.

Stel, een hypernova zou plaatsvinden binnen een afstand van enkele honderden lichtjaren van de zon, dan zou dit mogelijk leiden tot een massa-extinctie op aarde. Röntgenstraling en gammastraling van de hypernova kunnen stikstof en zuurstof in de atmosfeer ioniseren, waardoor er stikstofoxiden ontstaan en leven op aarde drastisch zou veranderen. Gelukkig hebben we geen hyperreus in de buurt.

#7 Superreus Eta Carinae verloor een zon per jaar
Eta Carinae is een indrukwekkende ster op 7.500 lichtjaar van de aarde. De ster is ongeveer 82 keer zo zwaar als de zon, maar was vroeger waarschijnlijk veel massiever. 200 jaar geleden was deze ster net zo helder als Sirius, maar na 1860 nam de helderheid af. Dit kwam door enkele grote explosies. Bij deze ontploffing kwam evenveel energie vrij als bij een supernova-explosie. Hierbij zijn er twee grote gaswolken ontstaan die inmiddels een grootte hebben van 0,7 lichtjaren. De totale massa van deze gaswolken wordt geschat op twaalf tot dertig zonnen. Dit betekent dat Eta Carinae in ongeveer twintig jaar tijd (van 1840 tot 1860) ongeveer één zonsmassa per jaar verloor. Dat is uitzonderlijk veel voor een ster. Astronomen verwachten dat de ster de komende decennia weer een stuk helderder wordt, omdat een stofnevel om de ster langzaam verdwijnt.

Eta Carinae. Afbeelding: ESA / NASA.

#8 De geboorte van een hyperster is… niet ‘hyper’-bijzonder
Je denkt misschien dat een hyperster op een andere manier ontstaat als een eenvoudige ster als de zon, maar dat is niet zo. Alle sterren ontstaan op dezelfde manier. Wolken van gas en stof trekken langzaam samen. Op een bepaald moment stort een deel van zo’n wolk onder zijn eigen gewicht ineen. De kern wordt heter en de wolk begint sneller te draaien. Op een bepaald moment ontstaat er dan een protoster (oftewel een ster-in-spé). Er vindt nog geen kernfusie plaats, maar de protoster geeft al wel hitte af. Pas later, als de druk en temperatuur in het centrum van de protoster ver toeneemt, zal de kernfusie op gang komen. In 2010 vonden wetenschappers een bijzonder zware babyster (IRAS 13481-6124). Deze babyster is twintig keer zo zwaar en vijf keer zo groot als de zon. Net als andere babysterren is ook IRAS 13481-6124 gehuld in een cocon van stof. “Onze waarnemingen tonen aan dat de vorming voor alle sterren op dezelfde manier verloopt, ongeacht de massa,” concludeert onderzoeksleider Stefan Kraus.

Artistieke impressie van een babyster IRAS 13481-6124 in een stofrijke, protoplanetaire schijf. Bron: ESO

#9 Reuzensterren kunnen plotseling verdwijnen
In het Kinman-dwergstelsel was lange tijd een monsterster te zien, maar in 2019 konden wetenschappers de ster niet meer vinden. “Tot onze verrassing kwamen we erachter dat de ster verdwenen was,” zegt onderzoeker Andrew Allan. Het is vreemd dat er geen supernova of hypernova aan vooraf ging. Er zijn twee mogelijke theorieën voor het verdwijnen van de ster. Mogelijk is de lichtsterke blauwe variabele ster door een uitbarsting veranderd in een minder heldere ster, die ook nog eens deels door stof wordt verduisterd. De tweede theorie luidt dat de ster ineengestort is tot een zwart gat, zonder dat daar een supernova-explosie aan voorafging. Dat zou echter wel een ontzettend zeldzame gebeurtenis zijn: voor zover we weten sluiten zware sterren namelijk hun bestaan af met een supernova. “Als dit toch zo is, zou dat de eerste, directe detectie van een monsterster zijn die zijn leven op deze manier afsluit,” aldus Allan.

#10 Rode, gele en blauwe, maar geen groene superreuzen
Reuzensterren zijn er in verschillende smaken. Er zijn rode superreuzen, gele superreuzen en blauwe superreuzen. De kleur van een ster verraadt hoe warm het oppervlak is. De blauwe superreuzen zijn het warmst, gevolgd door gele superreuzen en rode superreuzen. Sterren kunnen veranderen. Zo kan een blauwe superreus in omvang toenemen en uiteindelijk veranderen in een rode superreus. Onze zon is op dit moment een gele dwergster, maar transformeert over miljarden jaren in een rode reus (maar geen rode superreus).

Een bekende blauwe superreus is Rigel op een afstand van circa 800 lichtjaar van de aarde. Deze ster is zeventien keer zwaarder dan de zon, maar geeft 40.000 keer meer licht. De ster geeft zoveel licht, dat ‘nabije’ nevels door Rigel worden verlicht, zoals de Heksenkopnevel op onderstaande foto.

De Heksenkopnevel (IC2118) wordt verlicht door de nabije ster Rigel (rechts). Bron: SSRO

#11 Superreuzen zijn geen strakke bolletjes
Kijk je met een eclipsbrilletje naar de zon, dan zie je dat de zon een duidelijke rand heeft. Onze moederster is een mooi rond bolletje. Dit geldt niet voor hyperreuzen. Hyperreuzen en superreuzen verliezen veel massa, waardoor de buitenste randen nogal ijl zijn. Hierdoor hebben hyperreuzen geen duidelijke rand, maar een wazige rand. Dit maakt het ook veel lastiger om de grootte van hyperreuzen en superreuzen te bepalen, want het is niet altijd duidelijk waar gas stopt en het vacuüm begint.

Meer weten?
Lees het artikel van Kees de Jager over super- en hyperreuzen en kom meer te weten over deze bijzondere kosmische objecten. Krijg je geen genoeg van feitjes, lees dan dit artikel met negentien fascinerende weetjes over het zonnestelsel.