Vergeet buitenaardse megastructuren, nieuwe waarnemingen verklaren Tabby’s ster met stof alleen

heeft de afgelopen jaren ongewone veranderingen in helderheid doorgemaakt. NASA / JPL-Caltech

De wetenschap van het jagen op planeten heeft in de 21e eeuw een hoge vlucht genomen, met de transit-methode als koploper. Wanneer een planeet voor zijn moederster langs trekt, ten opzichte van onze gezichtslijn, verdwijnt een deel van het licht van de ster voor een korte tijd. Deze overgangen zijn een vruchtbare methode voor exoplanetenjagers om naar werelden rond andere sterren te zoeken. Op dit moment kennen we duizenden sterren met werelden eromheen, en de meeste daarvan zijn ontdekt door middel van transit.

Wanneer je een missie ontwerpt die geoptimaliseerd is om planeten te zoeken, verwacht je dat de techniek een paar eigenaardigheden aan het licht zal brengen. Maar niets bereidde astronomen voor op het buitenbeentje dat Tabby’s ster is, waarvan de flux enorm afneemt, zonder dat er regelmatig terugkerende signalen zijn. Na jaren van speculatie over scenario’s variërend van komeetstormen tot buitenaardse megastructuren, hebben wetenschappers het mysterie nu eindelijk opgelost. Stof, op een geheel nieuwe manier, lijkt de boosdoener te zijn.

van Tabby’s ster: KIC 8462852. Ze tonen geen bewijs van een groot aantal natuurlijke verklaringen voor de waargenomen fluxdips. Infrarood: IPAC/NASA (2MASS), links; Ultraviolet: STScI (GALEX), rechts

NASA’s Kepler-missie heeft het spel veranderd door gedurende vele jaren meer dan 100.000 sterren in kaart te brengen. Van de honderdduizenden sterren die door NASA’s Kepler-ruimtevaartuig zijn waargenomen, is er één die eruit springt als de meest ongewone. KIC 8462852 – in de volksmond bekend als Tabby’s/Boyajian’s ster (naar de ontdekker van het interessante gedrag, Tabetha Boyajian) of de WTF? (voor waar is de flux?) ster – heeft een combinatie van eigenschappen die hem volledig uniek maken. In één keer:

• vertoont enorme fluxdalingen, tot 22% (terwijl de meeste planeten <1% dips veroorzaken),
• vervaagt langzaam over tijdschalen van tientallen jaren met af en toe oplichtende gebeurtenissen (wat geen andere, vergelijkbare sterren bekend is om te doen),
• waarbij de totale helderheid fluctueert rond de dips (in plaats van de gladde afname-en-verhoging die men bij planeten ziet),
• maar zonder infrarode emissie (die alle andere sterren met grote fluxdips bezitten).

Dit creëerde een enorme puzzel.

opnamen, maar de state-of-the-art infrarood imager ontworpen voor exoplanet schijf foto’s is SPHERE, die routinematig resoluties van ~10″, of minder dan 0,003 graden per pixel haalt. KIC 8462852 heeft deze eigenschappen of deze infrarode emissie niet. SHINE (SpHere INfrared survey for Exoplanets) collaboration / Arthur Vigan

Het kunnen geen planeten zijn, want geen enkele planeet is groot genoeg om zoveel licht van zijn ster tegen te houden. Zelfs als je je een planeet voorstelt met een enorm ringvormig systeem, zoals een super-Saturnus, dan zouden die fluxdips zowel periodiek zijn als een vloeiend patroon vertonen met een plateau. Dit is in tegenspraak met de beschikbare gegevens.

die rond de jonge reuzenplaneet of bruine dwerg J1407b cirkelen. Werelden met buitengewone ringstelsels zouden grote fluxdips kunnen produceren, maar die dips zouden periodiek zijn en een planeetachtige component bevatten, die niet is waargenomen. Ron Miller

Dit zou een zeer jonge ster geweest kunnen zijn, met planetesimalen, een proto-planetaire schijf, en een extreem stoffige omgeving. We hebben sterren gezien met grote fluxdips eromheen, en ze vielen allemaal in deze categorie.

Maar Boyajian’s ster is veel te oud om een protoplanetaire schijf te hebben: vele honderden miljoenen jaren te oud. Bovendien, en dat is het belangrijkste, vertoont hij niet de infrarode fluxemissie die een ster met een protoplanetaire schijf zou moeten hebben. Dit is de reden waarom de ster oorspronkelijk de “WTF?” werd genoemd. (voor waar is de flux?) ster.

Het zou kunnen gaan om een reeks komeetachtige gebeurtenissen, waarbij grote hoeveelheden stof worden opgeworpen terwijl ze in het binnenste gedeelte van het zonnestelsel in kwestie infalleren. Dit zou, zoals vrij recent is aangetoond, de kortstondige fluxdips kunnen verklaren die zijn waargenomen.

in de buurt van de onze, genaamd Eta Corvi. Het komeet scenario is één verklaring voor het dimmen rond Tabby’s ster, één die een hoogwaardig astronomisch spectrum nu heeft uitgesloten. NASA / JPL-Caltech

Maar er is nog een fenomeen dat deze voorgestelde oplossing niet kan verklaren: het op lange termijn dimmen van de ster. Deze ster wordt niet “Tabby’s ster” of “Boyajian’s ster” genoemd omdat hij door die bepaalde wetenschapper is ontdekt; alleen omdat zij het wetenschappelijk onderzoek naar het interessante en belangrijke nieuwe gedrag heeft geleid.

Maar deze ster is al meer dan een eeuw bekend, en de waarnemingen wijzen op een langdurige verduistering, waar dit model geen rekenschap van kan geven. Kometenstof wordt op een tijdschaal van maanden weggeblazen; er zou een bijna-continu bombardement van kometen nodig zijn om een verminderde flux over een tijdschaal van meer dan een eeuw in stand te houden. Er zouden veel kometen in een soortgelijke baan nodig zijn, en we weten niet hoe we die kunnen verkrijgen.

Dus, welke mogelijke verklaringen bleven over? Een populair idee dat werd geopperd was dat van buitenaardse megastructuren: dat een beschaving die technologisch ver voor lag op de mensheid, een apparaat construeerde dat periodiek (of aperiodiek) een groot percentage van het licht van de ster blokkeerde. Naarmate het bouwwerk completer werd, zou de hoeveelheid geblokkeerd licht toenemen. In de afgelopen eeuw zou het feit dat het licht van deze ster met zo’n aanzienlijke hoeveelheid was gedimd, verklaard kunnen worden door een vooruitgang in hoe compleet de structuur zou zijn.

Het is een overtuigend, zij het out-of-the-box, idee.

megastructuur die nog niet compleet is, en mogelijk door het Gaia-ruimteschip zou kunnen worden waargenomen. Maar dat is niet wat er gebeurt rond KIC 8462852. Het spectrale bewijs sluit dat uit. Kevin McGill / flickr

Maar dankzij een groot aantal vervolgwaarnemingen weten we dat het mis is. De reden? Een object als een buitenaardse megastructuur zou volledig ondoorzichtig zijn voor licht: het zou er niet doorheen kunnen. Dit geldt ook voor planeten, manen, of andere “vaste” objecten die je je kunt voorstellen.

Uit meer dan 19000 beelden die de afgelopen drie jaar zijn genomen, in vier verschillende golflengtebanden van blauw licht tot infrarood licht, hebben we geleerd dat blauw licht bij voorkeur wordt geblokkeerd bij alle verduisteringen: van de kortstondige fluxdips tot de langdurige verbleking van de ster. Er is één ding bekend dat ervoor kan zorgen dat blauw licht wordt geblokkeerd terwijl rood licht bij voorkeur wordt doorgelaten: stofdeeltjes die ten minste een bepaalde, minimale grootte hebben.

Het moet dus wel stof zijn. Wat ook de oorzaak is van de fluxdips, en wat ook de oorzaak is van de lange-termijn-vervaging, moet beide een stoffige oorsprong hebben. De Kepler-dips en de “secular dimming” worden veroorzaakt door hetzelfde fenomeen. Volgens het nieuwe artikel zelf:

Deze chromatische extinctie impliceert stofdeeltjes van ~0.1 micron, wat suggereert dat dit stof snel zal worden weggeblazen door de stellaire stralingsdruk, dus de stofwolken moeten binnen enkele maanden zijn gevormd. De moderne infrarood waarnemingen zijn gedaan op een tijdstip dat er tenminste 12,4% ± 1,3% stofdekking was (als onderdeel van de seculaire verduistering), en dit komt overeen met verduistering die zijn oorsprong vindt in circumstellair stof.

Dit is waar het bewijsmateriaal op wijst: op stof. Maar dit is nog steeds een beetje mysterieus.

een ster, gesuperponeerd met recente gegevens van Tabetha Boyajian (2018, via Twitter) die enkele recente fluxdips laten zien. Het stof zou niet op het oppervlak van de ster kunnen liggen, zoals hier wordt geïllustreerd. KIC 8462852, een F-klasse ster, is te heet om dit aannemelijk te maken. T. Boyajian / Twitter

De ster van Boyajian is tenslotte een combinatie van dingen die we niet bij elkaar zouden verwachten.

• Het komt overeen met het hebben van een grote hoeveelheid circumstellair stof, wat normaal gesproken duidt op een extreem jonge ster die zich nog in de vormingsfase bevindt.
• De ster zelf is helderder, heter en massiever dan de zon: hij straalt meer dan vier keer zoveel licht uit als onze zon.
• De ster is oud: honderden miljoenen jaren oud, en brandt stabiel op de hoofdreeks volgens alle rekeningen.

Met andere woorden, het stof dat we zien zou slechts enkele maanden moeten duren, gezien de eigenschappen van de ster zelf. Er moet een manier zijn waarop de ster zijn stof kan aanvullen. Voor zover we weten, zijn er twee mogelijkheden die zinvol zijn: of er is een externe stofring met dichte stofwolken erin of infallende bombardementen, of er is iets externs aan de ster dat leidt tot deze blokkering van het sterlicht.

stofpuin zou rond deze ster moeten bestaan. Als dat zo is, is het ongelooflijk toeval dat het vlak zo perfect uitgelijnd is met onze gezichtslijn, een opmerkelijke en onwaarschijnlijke gebeurtenis als het waar is. Zelfs als de kans maar 1% is, zou het een raadsel zijn dat we geen andere, vergelijkbare sterren (de 99%) hebben gezien zonder een dergelijke uitlijning. NASA / JPL-Caltech

De afnemende helderheid die sinds 1890 is waargenomen, lijkt zich voort te zetten tot en met de huidige gegevens van 2018, maar het is niet constant. Bovendien zijn er lange periodes met dips die maanden duren, en kortere dips van een dag of minder die er bovenop liggen. Het is zeker te wijten aan stofdeeltjes, tot misschien zo’n 100 nanometer groot. De verhouding tussen het dimmen van het licht in verschillende golflengtes/kleuren toont dat aan en sluit andere hypotheses uit.

Maar waar komt dat stof vandaan? Om een en ander te beperken, hebben de betrokken wetenschappers berekend hoeveel stof erbij betrokken moet zijn om de meer dan 100 jaar van verduisteringen en dompelingen te verklaren. Voor wat alleen al in het door ons gezichtspunt bepaalde transitievlak is, moet een hoeveelheid stof gelijk zijn aan ongeveer de massa van de maan.

overwogen om Tabby’s ster te verklaren. In plaats daarvan zou een reeks komeetachtige objecten met een lange periode en massieve stofhalo’s deze tijdelijke, voorbijgaande fluxdips kunnen veroorzaken, maar daarvoor moet er een zeer grote hoeveelheid massa bestaan, die niet de vorm heeft van ondoorzichtige objecten. NASA/JPL-Caltech

Maar er zou veel meer kunnen zijn. Eerdere onderzoekers hebben ook gesuggereerd dat er een grote hoeveelheid verder weg, interstellair stof zou kunnen zijn, hetgeen door de gegevens wordt ondersteund.

Dit zou de aanwezigheid van het circumstellaire stof kunnen vervangen of aanvullen. Wat betreft een schijf van materiaal rond de ster, de schijf is een minimum. Er zou een grote hoeveelheid stof kunnen zijn, dat zich niet alleen in het vlak bevindt, dat wij waarnemen, maar ook daarbuiten: in een halo misschien. We weten het gewoon niet, maar we weten wel dat als het bestaat, het niet dichtbij genoeg kan zijn om infrarode straling uit te zenden. Ook kometen zouden infrarode straling moeten produceren; de James Webb Space Telescope zou in staat moeten zijn om, wanneer de fluxdips zich voordoen, te vertellen of de komeethypothese binnen of buiten is.

of de planeten die er dicht omheen draaien zouden infrarode straling uitzenden, waar er geen wordt gezien. Als er echter een stofring (of halo) verder weg is, zou dat deze waarnemingen kunnen verklaren. ESA, NASA, en L. Calcada (ESO voor STScI)

En tenslotte is er een curieuze kandidaat-verklaring die is voorgesteld: dit stof zou het resultaat kunnen zijn van een geval van stellaire indigestie.

Als een gasreuzenplaneet – zeg, ter grootte van Uranus – door deze ster zou worden verslonden, zou dat de boosdoener kunnen zijn. Een inwijding van een planeet of een reeks planetaire lichamen lang geleden, misschien eeuwen of zelfs vele millennia geleden, zou een tijdelijke opheldering kunnen hebben veroorzaakt, waarvan de ster nu terugkeert naar zijn oorspronkelijke, stabiele toestand. De fluxdips die we waarnemen, zouden dan het gevolg kunnen zijn van planetair puin van een eerdere verstoring, of van verdamping en ontgassing van kleinere hemellichamen.

Jupiter staat zo dicht bij zijn gastheer dat zijn atmosfeer de ruimte in wordt gekookt. Als een gasreus onlangs door KIC 8462852 werd opgeslokt, zou hij mogelijk stofdeeltjes kunnen ‘opboeren’ die het waargenomen dimmen kunnen veroorzaken. NASA / GSFC

Ongeacht het mechanisme in kwestie, kunnen we zeker zijn van één conclusie: de reden voor het dimmen van de ster van Boyajian is te wijten aan stof. Dit is normaal, fijn stof, met deeltjes tot ongeveer 100 nanometer, of kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht. Hetzelfde stof dat korte dipjes van een dag of minder veroorzaakt, veroorzaakt ook dipjes die vele maanden duren, en veroorzaakt ook de daling die al meer dan een eeuw duurt. Het is allemaal te wijten aan gewoon, normaal stof.

De grote, open vraag die nu overblijft is waar dit stof vandaan komt? Het is niet omdat de ster jong is of zich nog vormt, en er zijn ongelooflijke beperkingen voor de ster om een onzichtbare metgezel te hebben. Het kan niet allemaal van interstellair stof komen. Is er een planeet verslonden? Is er iets nog ongebruikelijker aan de hand? De enige manier om het te weten is met meer – en beter – onderzoek op dit object. Maar één ding is zeker: zelfs als er ergens buitenaardse megastructuren bestaan, dan zijn ze niet hier.