Variabele sterren: sterren die veranderen in helderheid
De meeste sterren lijken vanaf de aarde vrijwel onveranderlijk te schijnen. Nacht na nacht staan ze op dezelfde plek aan de hemel en lijkt hun helderheid ongeveer hetzelfde te blijven.
Toch zijn er sterren die in de loop van de tijd duidelijk helderder en zwakker worden. Deze noemen we variabele sterren.
Die veranderingen kunnen verschillende oorzaken hebben. Sommige sterren veranderen zelf doordat ze uitzetten en weer krimpen. Bij andere sterren wordt de helderheid beïnvloed doordat een begeleidende ster voor het licht van de andere langs beweegt. Er zijn ook sterren waarbij veranderingen aan het oppervlak of krachtige uitbarstingen een rol spelen.
Door deze veranderingen nauwkeurig te meten, kunnen astronomen veel leren over sterren die zich op enorme afstanden bevinden.
Wat is een variabele ster?
Een variabele ster is een ster waarvan de waargenomen helderheid in de loop van de tijd verandert.
Die verandering kan heel klein zijn en alleen met gevoelige meetapparatuur worden vastgesteld. Bij andere variabele sterren kan het verschil groot genoeg zijn om met telescopen duidelijk te worden waargenomen.
Ook de snelheid waarmee een ster verandert kan sterk verschillen.
Sommige sterren veranderen volgens een regelmatig patroon. Andere vertonen onregelmatige veranderingen of plotselinge uitbarstingen.
Astronomen bestuderen daarom niet alleen hoe helder een ster is, maar vooral ook hoe die helderheid in de tijd verandert.
Waarom verandert een ster van helderheid?
Er bestaat niet één oorzaak voor veranderlijke helderheid.
Soms verandert de ster zelf. Een ster kan bijvoorbeeld groter en kleiner worden, waardoor ook de hoeveelheid licht die hij uitzendt verandert.
In andere gevallen verandert de ster niet noodzakelijk zelf, maar verandert wat wij vanaf de aarde kunnen zien.
Dat gebeurt bijvoorbeeld bij een dubbelstersysteem waarin de ene ster regelmatig voor de andere langs beweegt.
Ook magnetische activiteit, uitbarstingen of veranderingen in de buitenste lagen van een ster kunnen voor variaties zorgen.
De term variabele ster beschrijft daarom vooral wat we waarnemen, niet één specifiek mechanisme.
Pulserende sterren
Een belangrijke groep variabele sterren bestaat uit pulserende sterren.
Bij deze sterren veranderen de grootte en eigenschappen van de buitenste lagen regelmatig.
De ster kan gedurende een bepaalde periode uitzetten en daarna weer samentrekken.
Tijdens zo’n cyclus verandert ook de helderheid.
Het lijkt daardoor alsof de ster langzaam ademt: groter, kleiner, helderder en zwakker.
In werkelijkheid gaat het om natuurkundige processen in de ster waarbij druk, temperatuur en beweging van het gas met elkaar samenhangen.
Cepheïden: variabele sterren als kosmische meetpunten
Een van de bekendste soorten variabele sterren zijn de cepheïden.
Deze sterren veranderen regelmatig van helderheid. Hun pulsaties hebben bovendien een bijzonder belangrijke eigenschap: er bestaat een verband tussen de periode van de verandering en de werkelijke lichtkracht van de ster.
Dat maakt cepheïden bijzonder waardevol voor astronomen.
Wanneer wetenschappers de periode van een cepheïde meten, kunnen ze daaruit afleiden hoe helder de ster werkelijk is. Door die werkelijke helderheid te vergelijken met de helderheid die vanaf de aarde wordt waargenomen, kan de afstand worden geschat.
Daarmee zijn cepheïden belangrijke hulpmiddelen bij het meten van grote afstanden in het heelal.
RR Lyrae-sterren
Een andere bekende groep bestaat uit RR Lyrae-sterren.
Ook deze sterren veranderen op een regelmatige manier van helderheid.
Ze komen vooral voor in oudere sterrenpopulaties en zijn daardoor interessant bij het onderzoeken van oude sterrenhopen en andere delen van de Melkweg.
Net als bij andere variabele sterren kijken astronomen naar de lichtcurve: een grafiek die laat zien hoe de helderheid van een ster in de loop van de tijd verandert.
Zo ontstaat een patroon waaraan wetenschappers een bepaald type variabele ster kunnen herkennen.
Een ster die voor een andere langs beweegt
Niet iedere variabele ster verandert zelf.
Een bijzonder interessant geval ontstaat wanneer twee sterren om elkaar heen draaien.
Als hun baan vanuit de aarde zo is gericht dat de ene ster regelmatig voor de andere langs beweegt, wordt een deel van het licht tijdelijk afgeschermd.
De totale helderheid van het systeem neemt dan af.
Wanneer de sterren weer naast elkaar staan vanuit ons gezichtspunt, neemt de helderheid opnieuw toe.
Dit noemen we een eclipsend dubbelstersysteem.
Astronomen kunnen uit zulke veranderingen niet alleen informatie over de helderheid halen. De lichtcurve kan ook helpen om de banen, afmetingen en massa’s van de sterren te bepalen.
Een lichtcurve vertelt het verhaal
Om variabele sterren te onderzoeken, maken astronomen vaak een lichtcurve.
Daarin wordt de helderheid van een ster uitgezet tegen de tijd.
Zo ontstaat bijvoorbeeld een patroon waarin een ster steeds helderder en zwakker wordt.
Bij een regelmatige variabele ster kan het patroon zich steeds opnieuw herhalen.
Bij een eclipsend dubbelstersysteem kunnen juist duidelijke dalingen zichtbaar zijn wanneer één ster voor de andere langs beweegt.
Een lichtcurve is daardoor eigenlijk een soort handtekening van het gedrag van een ster.
Niet alle variabele sterren veranderen regelmatig
Sommige variabele sterren volgen geen eenvoudig, regelmatig patroon.
De helderheid kan dan op verschillende momenten veranderen, soms door meerdere processen tegelijk.
Er bestaan bijvoorbeeld sterren met onregelmatige variaties en sterren waarbij plotselinge uitbarstingen optreden.
De algemene catalogus van variabele sterren onderscheidt daarom veel verschillende soorten variabiliteit, waaronder pulserende sterren, roterende variabelen, eruptieve variabelen en eclipsende dubbelsterren.
Dat laat zien hoe groot de groep variabele sterren eigenlijk is.
Sterren met uitbarstingen
Sommige sterren kunnen tijdelijk veel helderder worden doordat er een krachtige uitbarsting plaatsvindt.
Een bekend voorbeeld is een nova.
Novae ontstaan in bepaalde dubbelstersystemen waarin een witte dwerg materiaal van zijn begeleidende ster aantrekt. Dat materiaal kan zich op het oppervlak van de witte dwerg ophopen en uiteindelijk een krachtige thermonucleaire explosie veroorzaken die het systeem tijdelijk veel helderder maakt.
Na de uitbarsting neemt de helderheid weer af.
Een nova betekent dus niet dat de ster volledig verdwijnt of vernietigd wordt.
Dat onderscheid is belangrijk, want een nova is iets anders dan een supernova.
Variabiliteit door rotatie
Ook de draaiing van een ster kan veranderingen in helderheid veroorzaken.
Een ster kan bijvoorbeeld gebieden op zijn oppervlak hebben die donkerder of helderder zijn dan hun omgeving.
Wanneer de ster om zijn as draait, komen die gebieden afwisselend in beeld.
Vanaf de aarde kan de ster daardoor iets helderder of zwakker lijken.
In andere gevallen kan de rotatie samenhangen met sterke magnetische activiteit.
De veranderingen kunnen dan informatie geven over wat er op het oppervlak en in de atmosfeer van de ster gebeurt.
Waarom zijn variabele sterren zo interessant?
Variabele sterren zijn belangrijk omdat ze astronomen iets laten zien wat bij een gewone ster moeilijk zichtbaar is.
Een ster lijkt op een bepaald moment misschien een stabiel object, maar wanneer je hem gedurende langere tijd volgt, kunnen veranderingen zichtbaar worden.
Die veranderingen kunnen informatie geven over de binnenkant van een ster, zijn buitenste lagen, zijn rotatie of zijn omgeving.
Een variabele ster laat daardoor zien dat sterren geen volledig statische objecten zijn.
Ze zijn voortdurend in beweging.
Variabele sterren helpen afstanden meten
Sommige variabele sterren zijn bovendien belangrijk voor het bepalen van afstanden.
Cepheïden zijn daarvan het bekendste voorbeeld.
Omdat hun periode verband houdt met hun werkelijke lichtkracht, kunnen astronomen ze gebruiken als een soort kosmische meetpunten.
Dat sluit mooi aan op het artikel “Hoe meten wetenschappers de afstand tot sterren?”, maar het onderwerp is hier anders.
Daar kijken we naar de verschillende technieken om afstanden te bepalen.
Hier kijken we juist naar waarom het veranderende licht van bepaalde sterren daarbij zo waardevol is.
Hoe ontdekken astronomen dat een ster verandert?
Astronomen hoeven niet iedere ster voortdurend met hun ogen te bekijken.
Ze maken regelmatig foto’s en metingen van hetzelfde hemelgebied.
Door die waarnemingen met elkaar te vergelijken, kunnen kleine veranderingen in helderheid worden ontdekt.
Moderne telescopen kunnen enorme aantallen sterren tegelijk volgen.
Zo kunnen complete catalogi van variabele sterren worden opgebouwd.
Ruimtetelescopen zijn daarbij bijzonder nuttig omdat ze lange en nauwkeurige reeksen waarnemingen kunnen verzamelen. NASA gebruikt bijvoorbeeld ook lange reeksen van lichtmetingen om variabiliteit in sterren te onderzoeken.
Waarom moet je een ster lang blijven volgen?
Een enkele foto vertelt maar hoe helder een ster op één moment is.
Dat is niet genoeg om te weten of de ster verandert.
Daarom zijn herhaalde waarnemingen zo belangrijk.
Wanneer astronomen een ster weken, maanden of zelfs jaren volgen, kunnen ze patronen ontdekken.
Sommige veranderingen herhalen zich iedere paar uur.
Andere variaties hebben een veel langere periode.
Soms zijn veranderingen zelfs onvoorspelbaar.
Hoe langer een ster wordt gevolgd, hoe meer van zijn gedrag zichtbaar wordt.
Variabele sterren zijn kosmische klokken
Bij regelmatig veranderende sterren kunnen astronomen de periode zeer nauwkeurig meten.
De tijd tussen twee opeenvolgende helderheidsmaxima kan bijvoorbeeld een belangrijk kenmerk van de ster zijn.
Door die periode over langere tijd te volgen, kunnen wetenschappers zien of het ritme langzaam verandert.
Zo kunnen variabele sterren informatie geven over veranderingen die anders nauwelijks zichtbaar zouden zijn.
Een ster die miljoenen jaren oud is, kan op die manier toch een meetbare verandering laten zien binnen de tijd waarin mensen hem observeren.
De helderheid van een ster is niet altijd constant
Het idee dat sterren altijd even helder schijnen is dus vooral een vereenvoudiging.
Veel sterren lijken vanaf grote afstand stabiel, maar sommige veranderen duidelijk.
Die veranderingen kunnen ontstaan door processen diep in de ster, door bewegingen aan het oppervlak, door rotatie of door interacties met een begeleidende ster.
Iedere soort variabiliteit vertelt daardoor een ander verhaal.
Astronomen proberen uit de vorm, snelheid en regelmaat van de veranderingen af te leiden wat er precies gebeurt.
Een veranderende ster als bron van informatie
Het bijzondere aan variabele sterren is dat hun verandering zelf de informatie bevat.
Bij een gewone foto zien we bijvoorbeeld alleen een ster op een bepaald moment.
Bij een reeks foto’s ontstaat een patroon.
Dat patroon kan vertellen hoe snel de ster pulseert, hoe een dubbelstersysteem beweegt of wanneer een uitbarsting heeft plaatsgevonden.
Een eenvoudige verandering in helderheid kan daardoor uiteindelijk veel vertellen over de natuurkunde van een ster.
Van een lichtpuntje naar een veranderend object
Aan de nachtelijke hemel lijken sterren vaak rustig en onveranderlijk.
Maar sommige sterren veranderen voortdurend.
Ze kunnen pulseren, draaien, elkaar verduisteren of tijdelijk enorme hoeveelheden energie vrijgeven.
Door die veranderingen nauwkeurig te meten krijgen astronomen een kijkje in processen die zich op enorme afstanden afspelen.
Variabele sterren laten daarmee zien dat de sterrenhemel geen stilstaand decor is.
Achter ieder lichtpuntje kan een voortdurend veranderend kosmisch proces schuilgaan.