Garik Israelien: Wat is er in een ster ?

Ik heb een zeer moeilijke taak. Ik ben een spectroscopist. Ik moet over sterrenkunde praten zonder jullie een enkele afbeelding van nevels of sterrenstelsels, enz. te tonen Want ik doe aan spectroscopie. Ik ben nooit bezig met beelden. Maar ik zal proberen om jullie te overtuigen dat spectroscopie iets is dat deze wereld kan veranderen. Spectroscopie kan waarschijnlijk antwoorden op de vraag "Is er iemand daarboven?" Zijn wij alleen? SETI. Het is niet erg leuk om aan spectroscopie te doen.

Een van mijn collega's in Bulgarije, Neviana Markova, bracht ongeveer 20 jaar door met het bestuderen van deze profielen. Ze publiceerde 42 artikels alleen gewijd aan dit onderwerp. Kun je je voorstellen? 20 jaar lang dag en nacht dezelfde ster observeren, er over nadenken. Dat is ongelooflijk. Maar we zijn zo gek. We doen dat. (Gelach)

Ik ben nog niet zo ver. Ik heb ongeveer acht maanden gewerkt aan deze profielen. Omdat ik een zeer kleine asymmetrie heb opgemerkt in het profiel van een gastheer-ster van een planeet. Ik dacht: misschien zit er lithium-6 in deze ster, wat erop wijst dat deze ster een planeet heeft opgeslokt. Omdat deze fragiele isotoop van lithium-6 niet kan voorkomen in de atmosfeer van zon-achtige sterren. Maar je vindt hem wel in planeten en asteroïden. Dus als een ster een planeet of groot aantal asteroïden heeft opgeslokt, dan zul je deze lithium-6 isotoop in het spectrum van de ster aantreffen. Daarom besteedde ik meer dan acht maanden alleen aan het bestuderen van het profiel van de lithiumlijn van deze ster.

Het is verbazingwekkend, want ik kreeg telefoontjes van veel verslaggevers met de vraag: "Heb je de planeet echt in een ster zien vallen?" Omdat ze dachten dat als je een telescoop hebt, je in feite een astronoom bent die door een telescoop zit te turen. En je zou kunnen hebben gezien dat de planeet op een ster viel. Ik zei: "Sorry, maar wat ik zie is dit hier." (Gelach) Het is ongelooflijk. Niemand begreep het echt. Ik wed dat er heel weinig mensen waren die echt begrepen waar ik het over heb. Want dit is de aanwijzing dat de planeet door de ster werd opgeslokt. Het is verbazingwekkend.

Al in 1973 realiseerde Pink Floyd zich de kracht van spectroscopie. (Gelach) Omdat ze eigenlijk zegden dat je elke gewenste kleur in een spectrum kan krijgen. Alles wat je nodig hebt, is tijd en geld om je spectrograaf te maken. Dit is de nummer één voor hoge resolutie, de meest precieze spectrograaf op deze planeet, HARPS genaamd. Hij wordt gebruikt voor het detecteren van exoplaneten en geluidsgolven in de atmosferen van sterren.

Hoe krijgen we spectra? De meesten van jullie weten van hun schoolnatuurkunde nog dat het gaat om het splitsen van wit licht in kleuren. Als je een vloeibare hete massa hebt, zal die iets produceren dat we een continu spectrum noemen. Een heet gas produceert alleen emissielijnen, geen continuüm. Als je een koel gas voor een hete bron plaatst, zal je bepaalde patronen zien. Die noemen we absorptielijnen. Dat wordt gebruikt om chemische elementen te identificeren in een koele stof, die precies bij die frequenties licht absorberen.

Wat kunnen we nu doen met die spectra? We kunnen daarmee vaststellen met welke snelheden kosmische objecten naar ons toe of van ons weg bewegen. We kunnen ook onderzoek doen naar de chemische samenstelling en fysische parameters van sterren, melkwegstelsels en nevels bestuderen. Een ster is het meest eenvoudige object. In de kern zijn er thermonucleaire reacties aan de gang. Die maken chemische elementen aan. De atmosfeer is koeler. Voor mij dan toch. Koel is in mijn optiek drie-, vier- of vijfduizend graden. Mijn collega's in de infraroodastronomie vinden min 200 Kelvin pas koel. Maar weet je, alles is relatief. Voor mij is 5.000 graden nogal koel. (Gelach)

Dit is het spectrum van de zon. 24.000 spectraallijnen, en ongeveer 15 procent van deze lijnen is nog niet geïdentificeerd. Dat is verbazingwekkend. We zijn in de 21ste eeuw, en we begrijpen het spectrum van de zon nog steeds niet goed. Soms hebben we te maken met slechts een kleine, zwakke spectraallijn om de samenstelling van dat chemisch element in de atmosfeer te meten. Zo zie je dat deze spectraallijn van goud de enige spectraallijn ervan is in het spectrum van de Zon. We gebruiken dit zwakke signaal om het gehalte aan goud te meten in de atmosfeer van de Zon.

Daarmee zijn we bezig. We hebben ook te maken met een eveneens zeer zwak signaal, dat bij osmium behoort. Het is een zwaar element, geproduceerd in thermonucleaire explosies van supernovae. Het is de enige plek waar osmium kan worden aangemaakt. Door het vergelijken van de samenstelling aan osmium in een van de planeet-gastheersterren, willen we begrijpen waarom er zo veel van dit element is te vinden. We denken dat het misschien supernova-explosies zijn die de vorming van planeten en sterren in gang zetten. Het kan een indicatie zijn.

Een tijd geleden e-mailde mijn collega uit Berkeley, Gibor Basri, mij een zeer interessant spectrum. Hij vroeg me: "Kan je hier eens naar kijken?" Ik kon de volgende twee weken niet slapen, toen ik de enorme hoeveelheid zuurstof en andere elementen in het spectrum van de sterren zag. Ik wist dat zoiets nog niet was waargenomen in de Melkweg. Het was ongelooflijk. De enige conclusie die we hieruit konden trekken, was dat dit een duidelijk bewijs is dat er een supernova-explosie in dit systeem had plaatsgevonden. Die dan de atmosfeer van deze ster had verontreinigd. En dat zich later een zwart gat had gevormd in een binair systeem. Dat was er een met een massa van ongeveer vijf zonnemassa’s. Dit werd gezien als een eerste bewijs dat zwarte gaten afkomstig zijn van supernova-explosies.

Mijn collega's vonden door het vergelijken van de samenstelling van chemische elementen in verschillende galactische sterren vreemde sterren in ons melkwegstelsel. Het is verbazingwekkend dat je dat allemaal kan uitvissen alleen maar door het bestuderen van de chemische samenstelling van sterren. Ze beweerden eigenlijk dat je aan de spectra kan zien dat een van die sterren een vreemde is. Ze komt uit een ander melkwegstelsel. Er is wisselwerking tussen melkwegstelsels. We weten dit. Soms vangen ze gewoon sterren in.

Je hebt al gehoord over zonnevlammen. We waren erg verrast een superzonnevlam te ontdekken, een zonnevlam die duizenden miljoenen keren sterker is dan die we zien bij de zon. In een van de binaire sterren in ons melkwegstelsel FH Leo genoemd, ontdekten we de superzonnevlam. Later gingen we de spectraallijnen onderzoeken om te zien er iets vreemds is met deze dingen aan de hand is. We vonden dat alles normaal is. Deze sterren zijn zo normaal als de zon. Leeftijd, alles was normaal. Dit is een mysterie. Superzonnevlammen zijn nog een van de overblijvende mysteries. Er zijn een stuk of zes, zeven vergelijkbare gevallen gerapporteerd in de literatuur.

Om hier iets van te verstaan moeten we echt de chemische evolutie van het heelal proberen te begrijpen. Het is erg ingewikkeld. Het is echt niet nodig dat jullie dat hier en nu proberen te begrijpen. (Gelach) Het dient alleen maar om jullie te laten zien hoe ingewikkeld het hele verhaal van de productie van chemische elementen is. Je hebt twee wegen - de massieve sterren en de lage-massasterren - om materie en chemische elementen in het universum te produceren en te recycleren. Laat dit een 14 miljard jaar doorgaan, dan krijgen we dit beeld. Dat is een zeer belangrijke grafiek. Ze toont het relatieve voorkomen van chemische elementen in zonachtige sterren en in de interstellaire ruimte.

Dat betekent dat het echt onmogelijk is een object te vinden met ongeveer 10 keer meer zwavel dan silicium of 5 keer meer calcium dan zuurstof. Het is gewoon onmogelijk. Als je er toch een zou vinden, dan zal ik zeggen dat dit iets is wat te maken heeft met SETI. Op een natuurlijke manier lukt dat niet. Het Doppler-effect is iets heel belangrijks in de fundamentele natuurkunde. Het heeft te maken met de verandering van de frequentie van een bewegende bron. Het Doppler-effect wordt gebruikt om exoplaneten te ontdekken.

De precisie die we nodig hebben om een Jupiter-achtige planeet te ontdekken rond een zonachtige ster ligt rond de 28,4 meter per seconde. En rond de 9 centimeter per seconde om een Aarde-achtige planeet op te sporen. Dit zal kunnen met de toekomstige spectrografen. Ikzelf ben betrokken bij het team dat bezig is met de ontwikkeling van CODEX, een hoge-resolutiespectrograaf van de toekomstige generatie voor de 42 meter E-ELT telescoop. Met dit instrument gaan we Aarde-achtige planeten rond zonachtige sterren kunnen ontdekken. Astroseismologie is een geweldige methode waarmee we geluidsgolven in de atmosferen van sterren kunnen detecteren.

Dit is het geluid van Alpha Centauri. We kunnen geluidsgolven detecteren in de atmosfeer van de zonachtige sterren. Deze golven hebben frequenties in het infrageluiddomein. Infrageluid kan je eigenlijk niet horen. Terug naar de belangrijkste vraag: "Is er iemand daarboven?" Dit hangt nauw samen met tektonische en vulkanische activiteit van de planeten. Leven en radioactieve kernen staan in rechtstreeks verband. Geen leven zonder tektonische activiteit, zonder vulkanische activiteit. We weten heel goed dat geothermische energie vooral geproduceerd wordt door verval van uranium, thorium en kalium.

Als we planeten vinden met kleine hoeveelheden van deze elementen dan zijn die planeten tektonisch dood. Dan kan er geen leven voorkomen. Maar ook met teveel uranium, kalium of thorium zou er waarschijnlijk geen leven kunnen ontstaan. Alles zou daar aan de kook zijn. Dan is er te veel energie op de planeet. Nu hebben we het voorkomen van thorium in een van de sterren met exoplaneten gemeten. Op precies dezelfde manier. Een zeer klein signaal.

We proberen eigenlijk om dit profiel te meten en thorium te detecteren. Het is erg moeilijk. Het is erg moeilijk. Je moet eerst jezelf overtuigen. Dan moet je je collega's te overtuigen. En dan moet je de hele wereld ervan weten te overtuigen dat je daadwerkelijk zoiets als dit in de atmosfeer van de gastheer-ster van een exoplaneet, hebt gedetecteerd, ergens op 100 parsec afstand van hier. Echt moeilijk. Maar als je iets wil weten over leven op planeten buiten het zonnestelsel dan moet je dat er voor over hebben. Want je moet weten hoeveel radioactieve elementen in deze systemen aanwezig zijn.

Een manier om iets te ontdekken over buitenaardse wezens is je radiotelescoop af te stemmen en te luisteren naar de signalen om iets interessants op te vangen. Nou, dat is wat SETI feitelijk doet, wat SETI al vele jaren heeft gedaan. Maar ik denk dat de meest veelbelovende manier is te gaan zoeken naar biomarkers. Hier zie je het spectrum van de Aarde, een ‘aardschijnspectrum’. Dat is een heel duidelijk signaal. Deze helling, die wij een 'Rode Rand' noemen, is een detectie van begroeid gebied. Het is verbazingwekkend dat we vegetatie kunnen waarnemen in een spectrum. Stel je dat je dit ook zou kunnen voor andere planeten.

Zeer recent, zeer recent, - ik heb het over de laatste zes, zeven, acht maanden - hebben we water, methaan, kooldioxide ontdekt in het spectrum van een planeet buiten ons zonnestelsel. Verbazingwekkend. Dit is de kracht van spectroscopie. Je kunt de chemische samenstelling van planeten ver, ver, ver weg van ons zonnestelsel gaan bestuderen. We moeten zuurstof of ozon detecteren om er zeker van te zijn dat alle noodzakelijke voorwaarden voor het leven aanwezig zijn.

Kosmische wonderen zijn iets voor SETI. Stel je nu een object, een verbazingwekkend object, of iets wat we niet kunnen uitleggen voor als we opstaan en zeggen: "We geven het op. Natuurkunde werkt niet." Je kunt altijd verwijzen naar SETI en zeggen: "Nou, iemand moet dit op de een of andere manier doen."

Op basis van de bekende fysica heeft Frank Drake vele jaren geleden daar al op gewezen [onduidelijk]. Als je in het spectrum van de gastheer-ster van een planeet vreemde chemische elementen zou zien, kan dat een signaal van een beschaving zijn, die zich wil kenbaar maken. Ze zouden hun aanwezigheid via deze spectraallijnen kunnen signaleren. Dat kan op verschillende manieren via het spectrum van een ster.

Er kunnen verschillende manieren zijn om dit te doen. Een daarvan zou bijvoorbeeld technetium kunnen zijn. Dat is een radioactief element met een vervaltijd van ongeveer 4,2 miljoen jaar. Als je plotseling technetium in een zonachtige ster zou aantreffen, kan je er zeker van zijn dat iemand dat in de atmosfeer van die ster heeft geïnjecteerd. Op een natuurlijke manier is het onmogelijk om dit te doen. Nu zijn we de spectra van ongeveer 300 sterren met exoplaneten aan het herbekijken. We doen dit werk sinds 2000 en het is een zeer zware klus. We hebben heel hard gewerkt. We hebben een aantal interessante gevallen, kandidaten dus, gevonden. Dingen die we niet echt kunnen verklaren. Ik hoop dat we dit in de nabije toekomst kunnen bevestigen.

Het antwoord op de belangrijkste vraag: "Zijn wij alleen?" zal volgens mij niet komen van Ufo’s. Ook niet van radiosignalen. Ik denk dat het zal komen van een spectrum als dit. Het is het spectrum van een planeet als de aarde met een aanwezigheid van stikstofoxide, als een duidelijk signaal van leven, en zuurstof en ozon. Als we op een dag, en ik denk binnen 15 jaar tot 20 jaar, een spectrum als dit ontdekken, kunnen we er zeker van zijn dat er leven is op die planeet. Binnen ongeveer vijf jaar zullen we planeten zoals de aarde rond zonachtige sterren ontdekken, op dezelfde afstand als de aarde van de zon. Nog ongeveer vijf jaar. Dan moeten we nog eens 10, 15 jaar wachten om met ruimteprojecten de spectra van de Aarde-achtige planeten, zoals degene die ik liet zien, te verkrijgen. Als we stikstofoxide zullen zien en zuurstof, dan denk ik dat we de perfecte E.T. hebben gevonden. Dank je wel. (Applaus)