We zouden allemaal wel eens willen dat we in de toekomst konden kijken. Nu, dankzij de allernieuwste gegevens van ESA's Gaia-missie voor het in kaart brengen van sterren, kunnen astronomen precies dat voor de zon doen. Door sterren met een vergelijkbare massa en samenstelling nauwkeurig te identificeren, kunnen ze zien hoe onze zon in de toekomst zal evolueren. En dit werk gaat veel verder dan een beetje astrofysische helderziendheid.

Gaia's derde grote gegevensrelease (DR3) werd op 13 juni 2022 openbaar gemaakt. Een van de belangrijkste producten die uit deze release kwamen, was een database met de intrinsieke eigenschappen van honderden miljoenen sterren. Deze parameters omvatten hoe heet ze zijn, hoe groot ze zijn en welke massa ze bevatten.

Gaia neemt uitzonderlijk nauwkeurige metingen van de schijnbare helderheid van een ster, gezien vanaf de aarde, en zijn kleur. Die fundamentele observatiekenmerken omzetten in de intrinsieke eigenschappen van een ster is nauwgezet werk.

Orlagh Creevey, Observatoire de la Côte d'Azur, Frankrijk, en medewerkers van Gaia's Coördinatie-eenheid 8, zijn verantwoordelijk voor het extraheren van dergelijke astrofysische parameters uit Gaia's waarnemingen. Daarbij bouwt het team voort op het pionierswerk van astronomen die aan het eind van de 19e en het begin van de 20e eeuw aan het Harvard College Observatory, Massachusetts werkten.

In die tijd waren de inspanningen van astronomen gericht op het classificeren van het uiterlijk van 'spectraallijnen'. Dit zijn donkere lijnen die verschijnen in de regenboog van kleuren die wordt geproduceerd wanneer het licht van een ster wordt gesplitst met een prisma. Annie Jump Cannon bedacht een reeks spectrale classificaties die de sterren rangschikten op basis van de sterkte van deze spectraallijnen. Deze volgorde bleek vervolgens direct verband te houden met de temperatuur van de sterren. Antonia Maury maakte een aparte classificatie op basis van de breedte van bepaalde spectraallijnen. Later werd ontdekt dat dit verband hield met de helderheid en de leeftijd van een ster.

Door deze twee eigenschappen te correleren, kan elke ster in het heelal op een enkel diagram worden uitgezet. Het staat bekend als het Hertzsprung-Russell (HR)-diagram en is een van de hoekstenen van de astrofysica geworden. In 1911 onafhankelijk ontworpen door Ejnar Hertzsprung en in 1913 door Henry Norris Russell, zet een HR-diagram de intrinsieke helderheid van een ster uit tegen zijn effectieve oppervlaktetemperatuur. Daarbij onthult het hoe sterren evolueren gedurende hun lange levenscyclus.

Hoewel de massa van de ster tijdens zijn leven relatief weinig verandert, varieert de temperatuur en grootte van de ster sterk naarmate hij ouder wordt. Deze veranderingen worden aangedreven door het soort kernfusiereacties dat op dat moment in de ster plaatsvindt.

Met een leeftijd van ongeveer 4,57 miljard jaar bevindt onze zon zich momenteel in zijn comfortabele middelbare leeftijd, waarbij waterstof in helium wordt gefuseerd en over het algemeen vrij stabiel is; bleef gelijk. Dat zal niet altijd het geval zijn. Naarmate de waterstofbrandstof in zijn kern opraakt en veranderingen beginnen in het fusieproces, verwachten we dat deze zal opzwellen tot een rode reuzenster, waardoor de oppervlaktetemperatuur in het proces zal dalen. Hoe dit precies gebeurt, hangt af van hoeveel massa een ster bevat en van zijn chemische samenstelling. Dit is waar DR3 om de hoek komt kijken.

Orlagh en collega's kamden de gegevens uit op zoek naar de meest nauwkeurige sterrenwaarnemingen die het ruimtevaartuig kon bieden. "We wilden een echt zuivere steekproef van sterren hebben met zeer nauwkeurige metingen", zegt Orlagh.

Ze concentreerden hun inspanningen op sterren met oppervlaktetemperaturen tussen 3000K en 10.000K, omdat dit de langstlevende sterren in de Melkweg zijn en dus de geschiedenis van de Melkweg kunnen onthullen. Ze zijn ook veelbelovende kandidaten voor het vinden van exoplaneten, omdat ze in grote lijnen lijken op de zon, die een oppervlaktetemperatuur van 6000K heeft.

Vervolgens filterden Orlagh en collega's het monster om alleen die sterren te tonen die dezelfde massa en chemische samenstelling hadden als de zon. Omdat ze de leeftijd lieten verschillen, trokken de sterren die ze selecteerden een lijn over het H-R-diagram dat de evolutie van onze zon van zijn verleden naar zijn toekomst weergeeft. Het onthulde de manier waarop onze ster zijn temperatuur en helderheid zal variëren naarmate hij ouder wordt.

Uit dit werk wordt het duidelijk dat onze zon een maximale temperatuur zal bereiken op ongeveer 8 miljard jaar oud, daarna zal afkoelen en groter worden, en een rode reuzenster worden rond de leeftijd van 10-11 miljard jaar. De zon zal na deze fase het einde van haar leven bereiken, wanneer ze uiteindelijk een vage witte dwerg wordt.

Het vinden van sterren die op de zon lijken, is essentieel om te begrijpen hoe we in het grotere heelal passen. "Als we onze eigen zon niet begrijpen - en er zijn veel dingen die we er niet over weten - hoe kunnen we dan verwachten dat we alle andere sterren zullen begrijpen die deel uitmaken van onze prachtige melkweg", zegt Orlagh.

Het is een bron van enige ironie dat de zon onze dichtstbijzijnde, meest bestudeerde ster is, maar de nabijheid ervan dwingt ons om hem te bestuderen met compleet andere telescopen en instrumenten dan die waarmee we naar de rest van de sterren kijken. Dit komt omdat de zon zoveel helderder is dan de andere sterren. Door soortgelijke sterren als de zon te identificeren, maar deze keer met vergelijkbare leeftijden, kunnen we deze waarnemingskloof overbruggen.

Om deze "zonne-analogen" in de Gaia-gegevens te identificeren, zochten Orlagh en collega's naar sterren met temperaturen, oppervlaktezwaartekracht, composities, massa's en stralen die allemaal vergelijkbaar zijn met de huidige zon. Ze vonden 5863 sterren die aan hun criteria voldeden.

Nu Gaia de lijst met doelwitten heeft opgesteld, kunnen anderen ze serieus gaan onderzoeken. Enkele van de vragen waarop ze antwoorden willen, zijn:hebben alle zonne-analogen planetaire systemen die vergelijkbaar zijn met de onze? Roteren alle zonne-analogen met dezelfde snelheid als de zon?

Met data release 3 heeft Gaia's uiterst nauwkeurige instrumentatie het mogelijk gemaakt om de stellaire parameters van meer sterren nauwkeuriger dan ooit tevoren te bepalen. En die nauwkeurigheid zal doorklinken in vele andere onderzoeken. Het nauwkeuriger kennen van sterren kan bijvoorbeeld helpen bij het bestuderen van sterrenstelsels, waarvan het licht de samensmelting is van miljarden individuele sterren.

"De Gaia-missie heeft overal in de astrofysica geraakt", zegt Orlagh. + Verder verkennen

Video:Gaia, de landmeter met een miljard sterren