Gaia dateerde al een stellaire babyboom en ontdekte dat de Melkweg lang geleden een ander sterrenstelsel opslokte. Maar wist je dat de ruimtetelescoop ook geknipt is voor de jacht op veranderlijke sterren?

Dit artikel is oorspronkelijk verschenen in het onlangs geheel vernieuwde blad ZENIT, waarin je elke maand alles kunt lezen over sterrenkunde, weerkunde en ruimteonderzoek.

De Gaia-databank die op 25 april 2018 werd voorgesteld aan de sterrenkundige gemeenschap bevat de meest indrukwekkende hoeveelheid astrometrische gegevens ooit verzameld. Maar ze bevat nog heel wat andere schatten. Zo is Gaia halfweg de missie er in geslaagd om meer dan een half miljoen veranderlijke sterren te detecteren. Waarom zijn deze sterren zo belangrijk voor sterrenkundigen? En hoe heeft men dit voor mekaar gekregen? We nemen je mee op jacht naar veranderlijke sterren.

Veranderlijke sterren
Sterrenkundigen weten al lang dat niet alle sterren een constante helderheid vertonen. Dit kan verschillende oorzaken hebben. In sommige gevallen gaat het over een dubbelster waarbij twee sterren in een baan rond elkaar bewegen. Met de regelmaat van de klok verschuilt de ene ster zich achter de andere, waardoor de helderheid van het duo tijdelijk daalt. Een groot deel van de sterren varieert echter ook uit zichzelf. In dit geval worden de helderheidsvariaties veroorzaakt door golven die zich door het sterinwendige verplaatsen en die de ster doen pulseren. Door deze pulsaties beweegt het steroppervlak op en neer. In praktijk kunnen astronomen deze pulsaties detecteren aan de hand van kleine kleur- en helderheidsvariaties van de ster.


Een kosmisch symfonieorkest
Pulsaties gebeuren doorgaans continu en zijn heel regelmatig. De ster is bijgevolg te vergelijken met een gigantisch muziekinstrument dat aanhoudend één of meerdere noten speelt. Al deze trillende sterren tezamen vormen eigenlijk een groot ‘kosmisch symfonieorkest’. Niet met geluidsgolven, want geluid kan zich niet voortplanten door de lege ruimte, maar wel met lichtgolven. Elke ster heeft zijn eigen specifieke manier van pulseren. Grote sterren bijvoorbeeld kunnen van compacte sterren onderscheiden worden, net zoals het geluid van een viool zich gemakkelijk laat onderscheiden van dat van een contrabas.

Er is een grote verscheidenheid aan pulserende sterren zoals cepheiden, delta Scuti-sterren, Mira-sterren, enz., maar sommige soorten nemen een speciale plaats in de sterrenkunde in. Zo zijn er de RR Lyrae-sterren: oude reuzensterren die ongeveer 50 maal zo helder zijn als de zon (zie het kader hieronder). Ze komen in grote getale voor in onze Melkweg. Wat dit type sterren zo bijzonder maakt, is dat de periode waarmee ze pulseren op een vrij precieze manier afhangt van hun ware lichtsterkte. Met andere woorden, uit het meten van de periode valt hun ware lichtkracht af te leiden en door deze te vergelijken met hun schijnbare helderheid kunnen astronomen de afstand van de ster bepalen. Deze methode is complementair aan de parallaxbepaling van Gaia. Naast de positie van de sterren meet Gaia ook hun helderheid in de tijd. Van een miljard sterren worden gemiddeld 70 metingen verzameld over 5 jaar. Gaia’s databank is bijgevolg een schatkist om veranderlijke sterren in onze Melkweg te ontdekken.

Het typische helderheidsverloop (lichtcurve) van een RR Lyrae-ster. Afbeelding: Wikipedia / J.R. Hall.

RR Lyrae-sterren
RR Lyrae-variabelen zijn al ver gevorderd in hun evolutie. Het rodereuzenstadium, waarin een ster in zijn kern alle waterstof heeft omgezet in helium en opzwelt tot gigantische afmetingen, hebben ze achter zich gelaten. Ook hebben ze hun mantel deels afgestoten, zodat een massa resteert van ongeveer 0,7 keer die van de zon. In de kern van RR Lyrae-variabelen wordt helium omgezet in koolstof. Daaromheen bevindt zich een schil waarin waterstofkernen fuseren tot helium.
Bij sommige typen pulserende sterren wordt de pulsatie aangedreven door een laag of zone in de stermantel waar de temperatuur voldoende hoog is om helium volledig te ioniseren (heliumatomen verliezen hun elektronen). In tegenstelling tot andere lagen heeft deze ionisatielaag de eigenschap dat er zich hitte kan ophopen als ze wordt samengedrukt en de hitte kan vrijgeven als ze uitzet. Als de ionisatielaag samengedrukt wordt, hoopt de energie zich op waardoor de zone naar buiten geduwd wordt, uitzet en afkoelt. Daarna valt de zone terug naar binnen en wordt weer samengedrukt. Dan begint het proces weer van voren af aan. Eén pulsatiecyclus duurt typisch 0,2 tot 1,1 dagen.
RR Lyrae-sterren hebben een laag metaalgehalte (aandeel van de elementen zwaarder dan helium): 0,00001 tot 0,01 dat van de zon. Ze behoren daarom tot de oude zogeheten populatie II in ons Melkwegstelsel.

Gaia’s zoektocht naar veranderlijke sterren
Het team aan de KU Leuven in België onder leiding van de auteur van dit artikel stond voor een uitdagende taak. Samen met collega’s van het Observatoire de Genève en van het Osservatorio Astronomico di Bologna moesten de onderzoekers in de lawine van Gaia-metingen bepalen welke sterren veranderlijk zijn en over welke soort het gaat. Daar waar voor de Hipparcos-satelliet (de voorloper van Gaia) deze klus nog geklaard kon worden door een team van twee personen die elke lichtcurve afzonderlijk bekeek, was dit voor Gaia onmogelijk: zelfs halverwege de missie vertoonden meer dan een half miljoen sterren helderheidsvariaties over de 22 maanden aan beschikbare gegevens.


Een tijdreeks van de helderheid van een RR Lyrae-ster waargenomen door Gaia over een tijdspanne van één jaar. Door de spreiding van de punten in de tijd is het moeilijk om de pulsaties te detecteren.

Een eerste uitdaging was het karakteriseren van elke veranderlijke ster. Op welke tijdschaal varieert de helderheid van de ster? Is de variatie regelmatig? Hoe groot is de variatie? Het vinden van de tijdschaal waarop de ster varieert is een heuse puzzel. RR Lyrae-sterren, bijvoorbeeld, pulseren met een periode van rond de rond 12 uur: ze zwellen en krimpen typisch 2 maal per (aardse) dag. Zou men elk kwartier een meting uitvoeren, dan is de ritmische helderheidsschommeling van zo’n ster makkelijk te volgen. Gaia neemt de sterren echter op onregelmatige tijdstippen waar. Soms kunnen er tussen twee opeenvolgende metingen slechts 4 uren liggen, maar soms ook 3 maanden. Dit maakt de opgave om sterren te herkennen die pulseren met een periode van 12 uren heel wat lastiger.

“Hoe kun je een computer leren om op een intelligente manier veranderlijke sterren te herkennen?”

De afbeelding hierboven toont een typische set van helderheidsmetingen door Gaia van een RR Lyrae-ster over een tijdspanne van ongeveer één jaar. Door de spreiding van de punten zijn er nauwelijks ritmische veranderingen van de helderheid te zien. Met wiskundige technieken kunnen astronomen echter achterhalen hoe men de metingen moet herordenen om het juiste ritmische patroon te herkennen. Het resultaat van een dergelijke puzzel wordt getoond in de laatste afbeelding in dit artikel. Niet alleen de helderheid maar ook de kleur (temperatuur) varieert in de tijd. Dit heeft als gevolg dat de sterren continu een traject afleggen in het Hertzsprung-Russell-diagram (dat zie je een eindje verderop in dit artikel).

Dezelfde waarnemingen als in het figuur hierboven, maar waarbij de volgorde opnieuw gerangschikt is welk punt (helderheidsmeting) waar in de pulsatiecyclus thuishoort. Op deze manier wordt het duidelijk hoe de helderheid van de ster varieert in de tijd. De ster varieert periodiek met een periode van ongeveer 0,6 dagen.

Als het patroon van de helderheidschommelingen eenmaal herkend en de pulsaties van de ster gekarakteriseerd zijn, moet nog uitgemaakt worden over welk type variabele ster het gaat. In het jargon heet dit classificatie. Een ervaren astronoom heeft hier doorgaans geen probleem mee. Maar opnieuw maakt de grote hoeveelheid sterren die Gaia waarneemt dit tot een uitdaging. Zelfs als je slechts 60 seconden per veranderlijke ster spendeert om ze te karakteriseren en te classificeren gedurende 8 uur non-stop per dag, dan zou de analyse van de volledige databank bijna 3 jaar in beslag nemen. Het team ging daarom op zoek naar een manier om deze opdracht te automatiseren zodat een computer het kan uitvoeren. Maar hoe kun je een computer leren om op een intelligente manier veranderlijke sterren te herkennen?

Een Hertzsprung-Russell-diagram van sterren gepubliceerd in de tweede Gaia-databank. Op de x-as staat de kleur (afhankelijk van de oppervlaktetemperatuur; links is heet, rechts is koel), op de y-as de absolute magnitude, een maat voor de lichtsterkte. Voor variabele sterren varieert de kleur en de helderheid in de tijd, waardoor ze een traject afleggen door het HR-diagram. Dit is in het bijzonder voor de Mira-variabelen in de rechterbovenhoek (Long Period Variables). Afbeelding: Astronomy & Astrophysics.

Kunstmatige intelligentie
Het team sloeg al snel de weg in van kunstmatige intelligentie. Het is niet de eerste keer dat technieken die een computer menselijke intelligentie laten imiteren, gebruikt worden in de sterrenkunde. Zo werden er al neurale netwerken ontworpen die op hemelopnamen sterrenstelsels kunnen classificeren als spiraalstelsel of elliptisch stelsel. Andere algoritmen zijn gespecialiseerd in het zoeken en herkennen van gigantische explosies in het heelal die gamma ray bursts (gammaflitsers) genoemd worden.
Voor het herkennen van veranderlijke sterren werd gekozen voor een heel bijzondere techniek die het Random Woud genoemd wordt. Het hart van deze techniek bestaat uit beslissingsbomen, die lijken op de determineertabellen die de meesten onder ons nog kennen van de biologielessen, en soms worden voorgesteld door een boomstructuur. Bij ieder knooppunt bepalen één of meerder kenmerken van de ster welke vertakking je dient te volgen, tot je uiteindelijk tot de juiste classificatie komt.
Het goede nieuws is dat er technieken bestaan om de computer zo’n beslissingsboom helemaal zelfstandig te laten opstellen. Hiervoor heb je een heleboel voorbeelden van elk van de typen veranderlijke sterren nodig, een zogenaamde trainingsset. Daarvoor voert men in de computer typische lichtcurves in van RR Lyrae-sterren, cepheiden en andere variabele sterren. Daarnaast geeft men het algoritme een lijst met suggesties van kenmerken van elke lichtcurve die potentieel nuttig zijn voor een classificatie, zoals de tijdschaal waarover de ster varieert, de vorm van de lichtcurve, enz. Het slechte nieuws is dat deze technieken voor het opstellen van een beslissingsboom niet altijd betrouwbaar zijn omdat ze moeilijk hoofdzaken van bijzaken kunnen onderscheiden. Hierdoor kan de classificatie soms helemaal de mist in gaan. De merkwaardige oplossing van het Random Woud-algoritme is om de beslissingsboom niet slimmer maar dommer te maken, door veel minder voorbeelden van veranderlijke sterren in te voeren en door slechts enkele lukraak gekozen kenmerken van de lichtcurves te ‘verklappen’. Elke boom apart classificeert belabberd, maar het centrale idee is om heel veel van dergelijke ‘domme’ bomen te maken (vele bomen maken een woud, vandaar de naam) en vervolgens het woud als groep een gezamenlijke mening te laten vormen over de typen veranderlijke sterren. Het gecombineerde resultaat van zo’n woud is verbluffend, tests met gekende veranderlijke sterren toonden aan dat een Random Woud één van de meest betrouwbare en snelle classificatiealgoritmesis.
De veranderlijke sterren waargenomen door Gaia werden verwerkt door een cluster van 840 computers, die dankzij het efficiënte en intelligente classificatiealgoritme hun meeste tijd konden spenderen aan de karakterisatie van de lichtcurves. De uiteindelijk oogst bedroeg niet minder dan 229.000 RR Lyrae-sterren verspreid over een groot deel van onze Melkweg, meer dan 10.000 cepheiden en honderdduizenden andere veranderlijken.

“Eén van de redenen is dat RR Lyrae sterren uitstekend geschikt zijn om de halo van onze Melkweg te bestuderen”

Botsingen
De databank van RR Lyrae-sterren die vrijgegeven werd op 25 april 2018 bleek bijzonder populair te zijn onder astronomen die de Melkweg bestuderen. Eén van de redenen is dat RR Lyrae-sterren uitstekend geschikt zijn om de halo van onze Melkweg te bestuderen. De halo strekt zich uit tot vele tienduizenden parsec (1 parsec is 3,26 lichtjaar), en voor dergelijke grote afstanden zijn de rechtstreekse parallaxmetingen van Gaia niet erg nauwkeurig. De alternatieve en complementaire afstandsbepaling aan de hand van de pulsatieperiode van RR Lyrae-sterren is dan bijzonder handig.

Schematische opbouw van het Melkwegstelsel. De schijf met centrale verdikking is ingebed in een min of meer sferische halo, waarin weer een binnenste en buitenste halo te onderscheiden is. RR Lyrae-sterren zijn erg geschikt om de halo van ons Melkwegstelsel nader te bestuderen. Afbeelding: NASA / ESA / A. Feild (STScI)

Reeds voor de komst van de Gaia-databank was er een goede consensus hoe de halo er ongeveer uit ziet (zie afbeelding hierboven). De dichtheid van de sterren in de halo (het gemiddeld aantal sterren per kubieke parsec) neemt af van binnen naar buiten, maar dit dichtheidsverval blijkt anders te zijn in het buitenste deel van de halo dan in het binnenste deel. Daar waar het buitenste deel vrij bolvormig is, lijkt het binnenste deel bovendien meer op een rugbybal. In deze achtergrond van halosterren drijven er wolken en stromen waar de sterdichtheid groter is: de restanten van botsingen tussen onze eigen Melkweg en satellietstelsels.

Een internationaal team van onderzoekers heeft Gaia’s nieuwe en omvangrijke RR Lyrae-databank gebruikt om twee van deze wolken nader te onderzoeken: de Hercules-Aquila-wolk, en de Virgo-wolk. Beide wolken bevinden zich in het binnenste deel van de halo, maar wel aan tegenovergestelde kanten van de Melkweg. Gaia-metingen, de uitzonderlijke eigenschap van RR Lyrae-sterren die toelaat om hun afstanden te bepalen en metingen vanaf de grond om hun snelheid langs de gezichtslijn te bepalen, geven een unieke dataset. Van elke RR Lyrae-ster konden de onderzoekers een driedimensionale positie bepalen, en afleiden in welke richting en hoe snel de sterren bewogen. Beide wolken blijken heel langgerekte banen te beschrijven, met de grootste afstand tot het Melkwegcentrum op 15-20 kiloparsec (kpc), waarna ze bijna in rechte lijn terug naar binnen vallen en het Melkwegcentrum op een afstand van 1-2 kpc passeren. De overeenkomstige eigenschappen van hun baan doet de onderzoekers vermoeden dat de twee wolken ontstaan zijn uit dezelfde frontale botsing van een satellietstelsel met onze Melkweg, zo’n 8 tot 11 miljard jaar geleden.

Nieuw satellietstelsel
RR Lyrae-sterren speelden ook een cruciale rol in de recente ontdekking van een nieuw dwerg-satellietstelsel van onze Melkweg. Deze ontdekking door een internationaal team van sterrenkundigen is gloednieuw; het wetenschappelijk artikel was op het ogenblik van dit schrijven nog onder review. Het ultrazwak stelsel is moeilijk te onderscheiden van de achtergrond, maar de nieuwe Gaia-metingen staan toe om sterrenstelsels met een zeer lage oppervlaktehelderheid te detecteren. De onderzoekers ontdekten in het zuidelijke sterrenbeeld Antlia (Luchtpomp) een gebied waar de dichtheid van RR Lyrae-sterren waargenomen door Gaia hoger was dan in de nabije omgeving. De sterren bleken allen ongeveer dezelfde afstand te hebben. Bovendien registreerde Gaia dat hun eigenbeweging aan de hemel dezelfde was. Aanvullende metingen werden verzameld vanaf de grond, die de ontdekking van een nieuwe buur bevestigden. Antlia 2, zoals het dwergstelsel genoemd wordt, blijkt zich uit te strekken over meer dan 2,5 graden aan de hemel, wat overeenkomt met ongeveer 2800 pc. Dit komt in de buurt van de diameter van de Grote Magelhaense Wolk, maar Antlia 2 is wel 4000 keer zwakker. De vraag stelt zich nu of er nog meer van deze zwakke en diffuse dwergstelseltjes zijn rond onze Melkweg, die we tot nog toe nooit hebben opgemerkt. Misschien is Antlia 2 het topje van de ijsberg. Over één ding zijn astronomen het roerend eens, Gaia heeft hierover nog niet al haar geheimen prijsgegeven!

ZENIT
ZENIT. Hét magazine over sterrenkunde, ruimteonderzoek, weer en klimaat
Lees in ZENIT alles over sterrenkunde, ruimteonderzoek en aanverwante wetenschappen. Met iedere maand achtergrondartikelen en de laatste ontwikkelingen uit de wetenschap: Highlights uit de nieuwste ZENIT: vijftig jaar maanlanding, het zichtbaarheidsgebied van zonsverduisteringen, 22 LRO brengt de maan weer (een beetje) tot leven, de sterrenhemel van juli en augustus.

ZENIT Jaarabonnement + gratis sterrenkundig jaarboek nu € 49,95
Neem nu een ZENIT jaarabonnement en ontvang gratis het jaarboek Sterren & Planeten, met daarin de interessantste hemelverschijnselen uit 2019. Meer informatie kun je hier vinden!