De mysteries van exoplaneten en superzware zwarte gaten: twee Vici-beurzen voor de Sterrewacht
De een ontrafelt het ontstaan van de grootste zwarte gaten in het universum, de ander onderzoekt de invloed van sterrenwind op de atmosfeer van exoplaneten. Zowel Elena Maria Rossi als Aline Vidotto ontvangen een Vici-beurs voor hun onderzoek naar de mysteries van het heelal. ‘Ik heb nog geen idee hoe we dit mysterie kunnen verklaren.’
Elena Maria Rossi – Wat een lichtflits vertelt over de evolutie van het heelal
Rossi gaat op zoek naar superzware zwarte gaten. ‘De grootste in het universum’, vertelt ze. ‘Ze zijn minstens een miljoen keer zo zwaar als de zon. Alleen met extreme fysieke omstandigheden zouden we hun bestaan kunnen verklaren.’ Wetenschappers gebruiken hun verbeelding om met allerlei scenario’s te komen, maar wat gebeurt er nu echt in de natuur? Dat wil Rossi uitzoeken.
Superzware gaten versus sterrenstelsels
Op die manier hoopt ze meer te weten te komen over de evolutie van sterrenstelsels: de bouwstenen van ons universum. Rossi: ‘Superzware zwarte gaten spelen een cruciale rol in het vormgeven van sterrenstelsels. Daarom is het belangrijk dat we begrijpen hoe ze ontstaan en veranderen.’
Begonnen ze groot of zijn ze groot gegroeid?
Heeft Rossi al een vermoeden? ‘Nee! Het is een behoorlijk diepgaand mysterie, omdat het aantal waarnemingen van deze allereerste zwarte gaten erg schaars is. Je moet daarvoor terugkijken naar het verre verleden van het universum.’ Sommige data lijkt erop te wijzen dat superzware zwarte gaten direct bij het ontstaan al gigantisch zijn door directe ineenstorting van gas in nieuwvormende sterrenstelsels. ‘Maar het is onduidelijk of dat slechts zeldzame gevallen zijn. Misschien vormen andere superzware zwarte gaten wel weer op andere manieren.’
Flitsend computermodel is grootste uitdaging
Rossi hoopt hints te krijgen door te focussen op de ‘kleinere’ gevallen: superzware zwarte gaten die minder zijn gegroeid dan anderen. Ze kijkt daarvoor naar zogenaamde flares: lichtflitsen afkomstig van sterren die door de zwarte gaten uit elkaar worden getrokken en verslonden. Die lichtflitsen zeggen namelijk iets over het zwarte gat. Zo zorgt een zwaarder zwart gat voor fellere flitsen die ook langer duren. ‘De grootste uitdaging wordt het bouwen van nauwkeurige modellen om de lichtflitsen die we meten te vertalen naar massa. Dat vereist geavanceerde computersimulaties, maar gelukkig heb ik genoeg ervaring om alle relevante natuurkunde in dit soort simulaties te stoppen. En kan ik terecht bij de NWO supercomputer Snellius voor de benodigde rekencapaciteit.’
Aline Vidotto – Een lekkende atmosfeer, hoe zit dat?
Ook Vidotto staat uitdagend computerwerk te wachten. Zij gaat onderzoeken wat het effect is van sterrenwind op de atmosfeer van exoplaneten. ‘Exoplaneten zijn continue onderhevig aan sterstraling en -deeltjes’, legt ze uit. ‘Vooral bij planeten die dichtbij hun moederster draaien, kan dit ervoor zorgen dat hun atmosfeer gaat “lekken”. De sterrenstraling warmt de atmosfeer op, waardoor deze uitzet en makkelijker ontsnapt. Steruitbarstingen zorgen juist voor druk die de atmosfeer beter op haar plek houdt. Samen bepalen deze twee processen dus hoeveel atmosfeer er weglekt.’
Geen atmosfeer? En wat dan nog?
Het is belangrijk om deze processen te begrijpen, omdat een atmosfeer een sleutelrol kan spelen in het ‘leven’ van een planeet. Vidotto: ‘Zo kan de aanwezigheid van een atmosfeer een planeet bewoonbaar maken en ervoor zorgen dat er leven kan ontstaan. Het verlies van atmosfeer kan invloed hebben op hoe snel een planeet om zijn as draait. En dat heeft weer invloed op het magnetisch veld.’ In extreme gevallen kan een planeet zelfs zijn complete atmosfeer verliezen. ‘Zo zijn planeten die ooit gasreuzen waren, omgevormd tot kale kernen.
Lekt de aarde ook?
Ja, ook de aarde verliest atmosfeer, maar dit gebeurt veel langzamer dan bij de planeten die onderzoekt in dit project. Geen zorgen dus!
Alle informatie eruit halen die erin zit
Vidotto gaat kijken naar planeten die heel dicht bij hun moederster draaien. ‘We hebben al wat data die laat zien dat hun atmosferen aan het lekken zijn. Op dit moment gebruiken de meeste modellen over lekkende atmosferen maar een paar soorten metingen, vooral van waterstof- en heliumatomen. Maar de nieuwe metingen die we doen met geavanceerde observatoria en instrumenten halen veel meer data binnen. We halen dus nog niet alles uit deze nieuwe metingen wat erin zit.’ Met dit project willen Vidotto en haar collega’s een nieuw 3D-model maken, waarin ook aandacht is voor andere atomen dan waterstof en helium.
Een behoorlijke modelleerklus
Vidotto: ‘We willen begrijpen hoe verschillende soorten gas zich gedragen in de atmosfeer van planeten. Het model moet dus rekening houden met dingen zoals magnetische velden en de uitstroom van materie en straling van sterren.’ De astronomen modelleren daarbij de verschillende chemische elementen afzonderlijk. ‘Door de resultaten van ons model te vergelijken met observaties, kunnen we deze lekkende atmosferen van exoplaneten straks hopelijk beter begrijpen.’