Voorstelling van hoe de nu spoorloze lichtsterke blauwe variabele ster er uitgezien kan hebben.
ESO/L. Calçada

Kosmisch mysterie: Very Large Telescope registreert verdwijning erg zware ster

Astronomen hebben de verdwijning vastgesteld van een instabiele massarijke ster in een klein sterrenstelsel met behulp van de Very Large Telescope. De wetenschappers denken dat dit erop wijst dat de ster minder helder is geworden en deels verduisterd is door stof of dat de ster is ingestort tot een zwart gat zonder dat daar een supernova-explosie aan vooraf is gegaan. "Als dat zo is", zei de leider van het onderzoeksteam, "zou dat de eerste directe waarneming zijn van een monsterster die haar leven op deze manier afsluit."

Tussen 2001 en 2011 is de geheimzinnige zware ster, die deel uitmaakt van het Kinman-dwergsterrenstelsel, door verschillende teams van astronomen onderzocht, en hun waarnemingen wezen erop dat de ster zich in een laat stadium van haar evolutie bevond.

Samen met medewerkers uit Ierland, Chili en de VS wilde teamleider en promovendus Andrew Allan van het Trinity College Dublin in Ierland meer te weten komen over hoe zeer massarijke sterren hun bestaan afsluiten, en de ster in het Kinman-stelsel leek het perfecte onderzoeksobject.

Maar toen de astronomen in 2019 de Very Large Telescope van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) op het verre sterrenstelsel richtten, konden zij de karakteristieke 'handtekening' van de ster niet meer terugvinden.

"Tot onze verrassing kwamen we erachter dat de ster verdwenen was", zei Allan. 

Foto van het Kinman-dwergsterrenstelsel, ook bekend als PHL 293B, gemaakt met de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA. De foto werd gemaakt in 2011, voor de verdwijning van de massarijke ster.
NASA, ESA Hubble/J. Andrews (U. Arizona).

Kenmerkende 'handtekening'

Met een afstand van circa 75 miljoen lichtjaar is het Kinman-dwergstelsel in het sterrenbeeld Waterman zo ver weg, dat astronomen geen afzonderlijke sterren kunnen waarnemen. Wel kunnen ze de 'handtekening' van sommige  sterren registreren, kenmerkende aanwijzingen die wijzen op de aanwezigheid van bepaalde sterren.

Tussen 2001 en 2011 vertoonde het licht van het sterrenstelsel constant aanwijzingen dat het een zogenoemde 'lichtsterke blauwe variabele' ster bevatte die ongeveer 2,5 miljoen keer zo helder was als de zon.

Sterren van dit type zijn instabiel en vertonen soms dramatische veranderingen, zowel in hun helderheid als in hun spectra, de golflengten van de elektromagnetische straling die ze uitstralen. Zelfs met die verschuivingen laten lichtsterke blauwe variabelen specifieke sporen achter waaraan wetenschappers ze kunnen herkennen.

In de gegevens die het onderzoeksteam in 2019 heeft verzameld, ontbraken deze sporen echter, wat de vraag oproept wat er met de ster is gebeurd. "Dat zo’n massarijke ster verdwijnt zonder een heldere supernova-explosie te hebben geproduceerd, zou zeer ongewoon zijn", zei Allan. 

De astronomen hebben in augustus 2019 om te beginnen het ESPRESSO-instrument op de ster gericht, waarbij de vier 8-meter telescopen van de VLT gelijktijdig werden gebruikt. Ze konden de sporen die op het bestaan van de heldere ster wezen, echter niet terugvinden. Een paar maanden later deed het team een nieuwe poging, ditmaal met het X-shooter-instrument van de VLT, maar opnieuw vonden ze geen enkel spoor van de ster.  

ESPRESSO (Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations) is een zeer nauwkeurige spectrograaf die onder meer de radiële snelheid van een object kan meten, de snelheid waarmee het zich van een waarnemer weg beweegt, of er naar toe, X-shooter is een zeer gevoelige spectrograaf, een instrument dat de spectra vastlegt die een object uitstraalt, van ultraviolet tot bijna infrarood. Het laat onderzoekers toe astronomische objecten waar te nemen gaande van lichtzwakke nabije objecten tot zeer lichtsterke objecten aan het andere einde van het bekende universum.  

"Mogelijk hebben we een van de meest massarijke sterren in het lokale heelal als een nachtkaars zien uitgaan", zei teamlid Jose Groh, ook van het Trinity College Dublin. "Onze ontdekking zou niet mogelijk zijn geweest zonder de krachtige 8-meter telescopen van de ESO, hun unieke instrumentatie en de snelle toegang tot de VLT na de recente toetreding van Ierland tot de ESO." Ierland is pas in september 2018 lid geworden van de ESO.

De maan gaat onder achter de VLT op de Cerro Paranal in de Atacama-woestijn in Chili.
G.Gillet/ESO

Hevige uitbarstingen

Vervolgens bekeek het team oudere gegevens die met X-shooter en de oudere UVES-spectrograaf (Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph) van de VLT en telescopen elders waren verkregen.

"De ESO Science Archive Facility stelde ons in staat om gegevens van hetzelfde object te vinden die in 2002 en 2009 waren verzameld", zei Andrea Mehner, stafastronoom bij de ESO in Chili. "Vooral de vergelijking van de hoge-resolutie UVES-spectra uit 2002 met onze gegevens die in 2019 met ESO’s nieuwste hoge-resolutie spectrograaf ESPRESSO zijn verzameld, waren veelzeggend – zowel in astronomisch als in instrumenteel opzicht."

De oude gegevens wezen erop dat de ster in het Kinman-dwergsterrenstelsel mogelijk een krachtige uitbarsting heeft ondergaan, die waarschijnlijk ergens na 2011 is geëindigd. Lichtsterke blauwe variabelen zoals deze ster zijn in de loop van hun bestaan vaak onderhevig aan reusachtige uitbarstingen, waardoor ze in korte tijd veel massa kwijtraken en hun helderheid sterk toeneemt. 

Kaart met de positie van het Kinman-dwergsterrenstelsel, waarin een lichtsterke blauwe variabele ster op mysterieuze wijze is verdwenen. Op de kaart staan bijna alle sterren afgebeeld die onder goede omstandigheden waarneembaar zijn met het blote oog. De positie van het Kinman-sterrenstelsel in het sterrenbeeld Waterman (Aquarius) is rood omcirkeld.
ESO, IAU and Sky & Telescope

Twee mogelijke verklaringen

Op basis van hun waarnemingen en modelberekeningen komen de astronomen tot twee mogelijke verklaringen voor de verdwijning van de ster en het ontbreken van een supernova, na de mogelijke krachtige uitbarsting van de ster.

Mogelijk is de lichtsterke blauwe variabele door die uitbarsting veranderd in een minder heldere ster, die ook nog eens deels door stof wordt verduisterd.

Een andere mogelijkheid is dat de ster is ineengestort tot een zwart gat, zonder dat daar een supernova-explosie aan voorafging. Dat zou een zeldzame gebeurtenis zijn: volgens de huidige inzichten in hoe zware sterren sterven, sluiten de meeste zware sterren hun bestaan af met een supernova.

Er is meer onderzoek nodig om vast te kunnen stellen wat het lot van de ster is geweest.

De Extremely Large Telescope (ELT) van de ESO, die volgens plan in 2025 in gebruik wordt genomen, zal in staat zijn afzonderlijke sterren te onderscheiden in sterrenstelsels zoals Kinman, wat zal helpen om kosmische mysteries zoals dit op te lossen.

Het onderzoeksteam bestond uit Andrew Allan van de School of Physics van het Trinity College Dublin (TCD), Jose J. Groh (TCD), Andrea Mehner van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht in Chili, Nathan Smith van het Steward Observatory, Universiteit van Arizona, Ioanna Boian (TCD), Eoin Farrell (TCD) en Jennifer E. Andrews (Steward Observatory).

De studie van het team is gepubliceerd in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de ESO. 

Een animatie van hoe de lichtsterke blauwe variabele ster er kan uitgezien hebben voor haar verdwijning (European Southern Observatory ESO).

ESOcast 225 Light: een korte video in het Engels met een samenvatting van de studie. (European Southern Observatory ESO)

Inzoomen op het Kinman-dwergsterrenstelsel (European Southern Observatory ESO)