Woensdag 03/06/2020

AstronomieWetenschap

Waarom de zon een krankzinnige ster is

Beeld Getty, Nasa - bewerking Studio V

Twee onbemande ruimteschepen zijn op weg naar de zon en een fonkelnieuwe telescoop brengt haar vanaf de aarde in kaart. Wat hopen die megaprojecten te ontdekken?

Zelfs in onzekere tijden kun je je hieraan nog vasthouden: aan het begin van een nieuwe dag komt de zon altijd weer op. Al sinds de geboorte van de mensheid kijken we gefascineerd omhoog en zien we in die gloeiende bol,  afhankelijk van wie kijkt, de samenballing van onze hoop, de verpersoonlijking van het goddelijke, de bron van al het leven, of, dat soms ook, een raadsel dat op antwoord wacht.

Tegenwoordig weten we dat onze moederster een reusachtige, gloeiende gasbol is, op zo’n 150 miljoen kilometer hiervandaan. Dat is een duizelingwekkende afstand: pas wanneer je 3.700 rondjes om de aarde hebt gevlogen, of een slordige tweehonderd keer op en neer naar de maan bent geweest, heb je net zoveel kilometers gemaakt. En toch, wanneer je op een mooie lentedag je ogen sluit en je gelaat naar de hemel richt, kun je de zon op je gezicht voelen branden.

Sta er even bij stil hoe bijzonder dat is: als je buurman zijn vuurkorf aansteekt, voel je niets van de vrijgekomen warmte. De zon brandt op kosmisch formaat. Wie de getallen erbij zoekt, stuit op waarden waarbij ons aardse inlevingsvermogen tekortschiet. Niet alleen de afstand tot de zon is overweldigend, haar temperatuur (tot wel tientallen miljoenen graden Celsius), formaat (je kunt in de zon 1,3 miljoen aardes kwijt) en leeftijd (4,6 miljard jaar) zijn dat ook.

Het is dus niet zo gek dat de zon al sinds mensenheugenis onze interesse heeft. En toch snappen we ook na al die millennia nog vrij weinig van onze moederster. “Wanneer ik publiekslezingen geef, waarschuw ik vooraf altijd dat de toehoorders naar huis zullen gaan met meer vragen dan antwoorden”, zegt emeritus zonne-onderzoeker Rob Rutten.

Vandaar dus dat zowel de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie Nasa als de Europese tegenhanger Esa onlangs honderden miljoenen euro’s uitgaf om een onbemand onderzoeksschip naar de zon te vuren. Vanaf aarde krijgen beide missies steun van de fonkelnieuwe Inouye Solar Telescope op Hawaï, die begin dit jaar de eerste, ongekend scherpe beelden toonde van de zon. Dit zijn de belangrijkste vragen waar deze wetenschappelijke megaprojecten het antwoord op moeten vinden.

De oppervlakte van de zon gefotografeerd in de hoogste resolutie tot nog toe, door de nieuwe Inouye Solar Telescope op Hawaï.Beeld Reuters

1. Waarom is de buitenste laag van de zon zo heet?

In het centrum van de zon is het verzengend, onvoorstelbaar heet. De temperatuur loopt er op tot tientallen miljoenen graden Celsius. Dat is ook niet zo vreemd: de druk is er zó hoog dat de aanwezige atomen ter plekke samensmelten. Het binnenste van de zon is, met andere woorden, een kernfusiereactor van grotesk formaat. Eentje die per seconde zo’n 600 miljoen ton waterstof fuseert tot helium. “Daarbij komt heel veel energie vrij, in de vorm van hitte”, zegt astronoom Frans Snik. 

Naar buiten toe koelt de ster af, totdat het spreekwoordelijke kwik aan het oppervlak nog ‘slechts’ zo’n 5.000 graden aantikt. En dan, even voorbij dat oppervlak, gebeurt er iets wonderlijks. Iets dat je met je gezonde verstand zou afschrijven als volkomen krankzinnig, als het niet keer op keer was gemeten. Boven het oppervlak begint de temperatuur namelijk ineens te stijgen. Alsof je thuis de open haard aansteekt en het bij de buren warmer wordt.

Beeld getty

Tegen de tijd dat je bij de ijle deeltjeslaag bent aanbeland die als een soort aura om de zon hangt, is de temperatuur van enkele duizenden graden zelfs weer gestegen tot een miljoen. “Het is nog volstrekt onduidelijk waarom de corona zo heet is”, zegt Snik, verwijzend naar de wetenschappelijke naam voor die buitenlaag – een naam die een bevreemdende bijklank heeft gekregen. “Het enige dat we weten is dat het iets heeft te maken met het magneetveld.”

Het magneetveld. Het hoge woord is eruit. Welke zonne-expert je het ook vraagt, allemaal zijn ze het over één ding eens: alles dat we van de zon niet begrijpen, raakt aan dat magneetveld.

Zeker is dat de zon zich op de een of andere manier als een dynamo gedraagt. Daarbij spelen elektrisch geladen gaslagen de rol van fietsband en dynamowieltje, maar hoe exact is onbekend. Net zo’n groot vraagteken is de opmerkelijke structuur van het veld. “Op het oppervlak van de zon zie je een soort rijstebrij van plussen en minnen”, zegt Rutten. Het magneetveld dat al die plussen en minnen verbindt, danst continu wanordelijk over het oppervlak en loopt door tot in de corona. “Daar speelt het een cruciale rol bij de ophoging van de temperatuur, maar de details kennen we niet.”

Zeker is dat de opwarming al in de laag daaronder begint: in de chromosfeer, die tussen corona en oppervlak hangt. Daar razen reusachtige magnetische tornado’s die warmte naar de corona pompen, zo beschreven onderzoekers in 2012 in het vakblad Nature. Vorig jaar tekende een andere groep in The Astrophysical Journal op dat er soms magnetische tunnels naar de corona lopen, die iets soortgelijks bereiken. “Maar als je computersimulaties draait die al die processen meenemen, kom je nog steeds warmte tekort”, zegt Rutten. 

Een van de missies die onze kennis van de corona moet vergroten, is de in 2018 gelanceerde Parker Solar Probe. Die werd door de ronkende pr-machine van Nasa aangekondigd als ‘de sonde die de zon aanraakt’: het ruimtevaarttuig zal namelijk tot in de corona vliegen en daar metingen verrichten. Op weg naar die primeur leverde het vaartuig in december al de eerste nieuwe inzichten. Onderzoekers beschreven toen hoe het magneetveld veel sterker van richting veranderde dan tot nog toe werd gedacht. Ook werd de vorm van het magneetveld beter in kaart gebracht.

De lancering van Nasa’s Parker Solar Probe, de ‘sonde die de zon aanraakt’, vanaf Cape Canaveral in Florida, 12 augustus 2018. Beeld Nasa

2. Waarom verdwijnen om de elf jaar alle vlekken van de zon?

Toen de Italiaanse natuur- en sterrenkundige Galileo Galilei aan het begin van de 17de eeuw de zon observeerde, ontdekte hij een flink aantal donkere vlekken. Nog geen tien jaar later waren ze plotsklaps allemaal verdwenen. Zeventig jaar lang bleef de zon vrijwel vrij van vlekken; uitzonderlijk lang, weten we tegenwoordig. “Ik denk weleens aan al die monniken die hun leven lang de zon bestudeerden, op zoek naar de vlekken die Galilei zag, zonder ze ooit te zien”, zegt astronoom Frans Snik.

De Italiaanse natuur- en sterrenkundige Galileo Galilei (1564 - 1642) met zijn telescoop, circa 1620.Beeld Getty

Grofweg elke elf jaar verandert de zon van totaal niet actief, naar heel actief – met veel zonnevlekken – en weer terug, zo weten we inmiddels. “Ook nu zitten we in zo’n niet-actieve periode”, zegt Snik. “De zon is al bijna twee jaar vrijwel helemaal schoon.”

Wat we ook weten: zonnevlekken zijn relatief koude gebieden, waar het magneetveld het kolkende plasma op het oppervlak in een houdgreep houdt. Onbekend is hoe de vlekken precies ontstaan en waarom er gemiddeld elf jaar tussen twee minima zit. Als een vlekloze periode zich aandient, blijkt het bovendien lastig te voorspellen hoelang die zal duren. “Tijdens het vorige zonneminimum bleef het oppervlak ruim tweeënhalf jaar vrijwel vlekvrij”, zegt Snik. “Mensen begonnen zich zorgen te maken of de zon de komende tientallen jaren nog wel actief zou worden.”

Volgens Esa-onderzoeker Daniel Müller zijn zelfs de beste computermodellen van de zon niet in staat het verloop van de zonnecycli in veel detail te voorspellen, en al helemaal niet tot ver in de toekomst. “Ze zijn op die tijdschalen nog zo onnauwkeurig dat je, afhankelijk van je aannamen, er eigenlijk alles uit kan krijgen dat je wil”, zegt Müller.  Wat ontbreekt zijn meetgegevens die het aantal mogelijke aannamen verkleinen. Vandaar dat Esa vorig jaar zonnesonde Solar Orbiter naar de zon stuurde, een missie waarvan Müller projectleider is.

Overigens merken we er op aarde weinig van als de zon een minimum beleeft. “Onder de streep is het tijdens een zonneminimum op aarde hooguit 0,1 graad minder warm”, zegt Snik. “Dat is verwaarloosbaar, zeker in vergelijking met de opwarming die we als mensen de laatste jaren hebben veroorzaakt. Al zijn wel opvallend veel Elfstedentochten tijdens een zonneminimum gereden.”

3. Hoe zien de noord- en zuidpool van de zon eruit?

Hoewel de zon elke dag aan de hemel staat, heeft nog niemand ooit de noord- en zuidpool in volle glorie gezien. Vandaar dat de Solar Orbiter daar voor het eerst een kijkje gaat nemen, zegt Müller. “Dat is echt een primeur.”

Overigens verwacht astronoom Frans Snik op die polen weinig wetenschappelijke verrassingen.  “Het is wél een heel mooi verhaal, dat je voor het eerst die polen in detail gaat zien. Maar wetenschappelijk verwacht ik meer van alle nauwkeurige metingen die de sonde zal doen dan van de blik op de polen.”

Volgens Müller is de polen zien wetenschappelijk wel degelijk van belang. Juist rond de polen, zegt hij, zitten vaker dan gemiddeld ‘gaten’ in de corona, gedeelten waar die laag een stuk ijler is dan gebruikelijk. Uit die gaten ontsnappen meer deeltjes dan er normaal uit de corona waaien. “Dat maakt ze interessant voor wie de subtiele eigenschappen van het magneetveld beter wil leren doorgronden.”

4. Kunnen we voorspellen of de zon gevaarlijke straling naar de aarde gaat vuren?

Het is hét horrorscenario uit de zonnefysica: dat onze vriendelijke moederster zich plotsklaps ontpopt tot een ruiter van de apocalyps. Want hoewel de kans dat de zon dodelijke deeltjeswolken richting aarde begint te hoesten niet groot is, kunnen astronomen dat ook niet helemaal uitsluiten.

“Soms zie je in de corona lange slierten koeler materiaal hangen”, zegt astronoom Rob Rutten. “Die blijven tot wel maandenlang stabiel en kunnen dan plotseling losbreken in een explosie waarbij miljarden tonnen gas worden weggeslingerd, met alle mogelijke gevolgen voor de aarde van dien.”

Als zo’n deeltjesstorm toevallig naar onze planeet raast, zijn we met onze hoogtechnologische samenlevingen mooi de pineut. “Er zit tegenwoordig veel elektronica in een lage baan om de aarde, die door zulke deeltjesstormen ontregeld kan raken”, zegt Müller. Het gevolg: kapotte satellieten, uitvallende communicatienetwerken en als het even tegenzit wereldwijde stroomuitval.

De laatste keer dat de zon zo grootschalig huishield was in 1859. Destijds knalde een bijzonder gewelddadige deeltjeswolk op de aarde en legde het wereldwijde telegraafsysteem plat, de voorloper van ons telecommunicatienetwerk. “Sommige telegrafen vlogen zelfs in brand”, zegt Müller. “De vraag is: wat zou het gevolg zijn als zoiets nu gebeurt? De schade zou oplopen tot honderden miljarden euro’s, denken we.”

En dan hebben we het nog niet eens gehad over de échte uitschieters, angstaanjagende superstormen zoals astronomen die op het oppervlak van verre sterren zien, mega-uitbarstingen waarbij het gepruttel van onze zon verbleekt. “De heftigste activiteit die we op andere sterren zien, zou op aarde direct al het leven beëindigen”, zegt Müller. 

Een uitbarsting van zonnemateriaal (rechts), vastgelegd in 2012.Beeld Getty

Zo bont zal de zon het niet maken, sussen de meeste astronomen, maar dat betekent niet dat we veilig zijn. In een verontrustend artikel in vakblad The Astrophysical Journal schreven Amerikaanse onderzoekers al eens over de gevolgen van het ergste type megastorm dat volgens hen op de zon zou kunnen voorkomen. Die zou zo sterk zijn dat hij een wereldwijde verhoging van het aantal kankergevallen kan veroorzaken.

Voordat u in deze toch al grauwe tijden te veel blijft hangen in doemdenken: de kans op iets dergelijks is naar alle verwachting  echt, heus – héél klein, benadrukt Müller. “Toch zouden we graag willen weten hóé klein precies. Of, beter nog: kunnen voorspellen of en wanneer je het kan verwachten.”

Wat we weten, is dat de zon in perioden dat zij magnetisch actiever is (meer zonnevlekken heeft) ook vaker grote zonnevlammen en krachtige deeltjesstormen produceert. Voor echt voorspellen ontbreekt vooralsnog de specifiekere kennis. “We zitten in een situatie vergelijkbaar met het weerbericht van tweehonderd jaar geleden”, zegt astronoom Frans Snik. “Je ziet een wolk aankomen, steekt een natte vinger in de lucht en zegt: het zal wel gaan regenen.”

Die wolk en die natte vinger worden in dit geval verzorgd door zonnevlammen, spectaculaire lichtflitsen die meestal, maar niet altijd, voorafgaan aan een deeltjesuitbarsting en kunnen dienen als waarschuwing. Zo weten astronauten aan boord van internationaal ruimtestation ISS bijvoorbeeld wanneer ze zich achter een watertank moeten verschuilen. In de ruimte  grotendeels buiten onze dampkring – zijn zij extra kwetsbaar voor dit soort straling. Bij voldoende waarschuwingstijd zou je er zelfs voor kunnen kiezen om op aarde vliegtuigen aan de grond te houden (hoog in de lucht ben je extra kwetsbaar) of om sommige technologie preventief uit te schakelen.

Beeld Getty

“Het licht van zo’n zonnevlam reist met de lichtsnelheid naar de aarde”, zegt Müller. Dat kost acht minuten, terwijl deeltjesuitbarstingen er soms zelfs een hele dag over doen om hier te komen. “De snelste deeltjesuitbarstingen bevatten ionen die met significante fracties van de lichtsnelheid vliegen, maar zelfs dan heb je nog grofweg een uur voordat ze arriveren.”

Met een beetje geluk kun je herkennen of zo’n deeltjesstorm onze kant op vliegt, al is het onmogelijk om het verschil te zien tussen een storm die recht op ons af vliegt en eentje die recht bij ons vandáán vliegt. “Het blijft dus altijd gokken”, zegt Müller. “Dit soort stormen goed kunnen voorspellen is echt de heilige graal van ons vakgebied.”

WAT WE WEL WETEN  

Over 5 miljard jaar verschroeit de zon de aarde

Alsof onvoorspelbare dodelijke deeltjesregens nog niet erg genoeg zijn, weten astronomen dat de zon het over een grove 5 miljard jaar nog veel bonter gaat maken. Doordat ze talloze andere sterren in de kosmos in kaart hebben gebracht, weten ze dat de zon rond die tijd de volgende fase van zijn bestaan ingaat. 

Zoals de meeste sterren die tegen het einde van hun leven lopen, verandert de zon dan in een zogeheten rode reus  een ster die, zoals de naam al doet vermoeden, een stuk groter is dan het gele exemplaar dat we nu aan de hemel zien staan. Zodra dat gebeurt, zal de zon in elk geval Mercurius en Venus verzwelgen, maar waarschijnlijk ook de eerstvolgende planeet die de groeiende zon dan tegenkomt: onze aarde. En zelfs als dat niet gebeurt, zal de enorme hitte van de rode reuze-zon alle oceanen doen verdampen en het oppervlak van onze voorheen zo blauwe planeet rücksichtslos verschroeien.

Hoe de zon borrelt onder zijn oppervlak

Hoewel astronomen worstelen om te begrijpen welke processen zich bóven het zonne-oppervlak afspelen, zijn de gebeurtenissen onder en op het oppervlak juist goed begrepen. Tot daar is de zon namelijk een borrelende plasmabol, die je wel kunt vergelijken met een pan met kokend water: de zon zit vol bellen die omhoog borrelen.

“Door al dat geborrel is de zon continu aan het zingen’” zegt zonne-fysicus Rob Rutten. “De geluidsgolven veroorzaakt door het geborrel trekken met duizenden kilometers per uur door de zon, alsof je met je vingers tikt op een bolle trommel van gas”, zegt hij. Die trillingen kunnen astronomen vervolgens meten en terugrekenen naar alle onderliggende processen. “Net zoals je brein uit je trillende trommelvlies alle complexe tonen en elementen uit een symfonie van Beethoven kan herleiden’, zegt Rutten. ‘Op dezelfde manier kunnen we uit het prachtige akkoord van tonen op de zon haar inwendige structuur doormeten.”

Waar de spookachtige zonnedeeltjes gebleven zijn

Bijzonder hoopgevend, noemt zonne-onderzoeker Rob Rutten het, een bewijs dat wetenschap uiteindelijk zelfs de lastigste problemen oplost. In de jaren zestig van de vorige eeuw leidden metingen van zogeheten neutrino’s tot een groot raadsel. Die spookachtige deeltjes vliegen overal doorheen en komen met zovelen van de zon af, dat alleen door je duimnagel elke seconde al tientallen miljarden exemplaren razen.

“Maar van die neutrino’s zagen we er op aarde eigenlijk een factor drie te weinig terug”, zegt Rutten. “Iedereen gaf elkaar vervolgens de schuld.” Deeltjesfysici meenden dat het probleem wel bij ons begrip van de zon moest liggen, astronomen dachten aan een scheikundige fout in de meting, enzovoorts. “In het begin van de eeuw bleek dat tweederde van de neutrino’s onderweg veranderde in een andere soort, die je in de meting niet terugzag. Daarmee was het tekort in één klap verklaard. Veertig jaar lang was dit een reusachtig wetenschappelijk raadsel. Tegenwoordig staat het alleen nog in de geschiedenisboeken.”

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met De Morgen?

Tip hier onze journalisten


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234