DE GESCHIEDENIS VAN HET HEELAL IN 21 STERREN (EN 3 BEDRIEGERS)

De geschiedenis van het heelal in 21 sterren (en 3 bedriegers)

GILES SPARROW

FONTAINE UITGEVERS

‘Goed gekozen voorbeelden en metaforen, een feilloos gevoel voor het juiste woord op de juiste plaats en een mespuntje Britse humor: een heel plezierig en laagdrempelig boek.’

– Govert Schilling, auteur van De olifant in het universum

Op een heldere nacht kun je duizenden sterren aan de hemel zien staan. Elke ster kent een eigen verhaal dat ons uitleg geeft over het ogenschijnlijk oneindige universum. Aan de hand van 21 - van deze sterren - plus 3 bedriegers die feitelijk gezien geen sterren zijn – beschrijft sterrenkundige Giles Sparrow de geschiedenis van het heelal, van het ontstaan tot de meest recente ontdekkingen en inzichten.

Over zwarte gaten, supernova’s, witte dwergsterren en rode superreuzen; over bekende sterren als de Poolster en de zon: wie nieuwsgierig is naar de wereld buiten onze aarde, gaat in dit boek mee op de ontdekkingstocht die generaties van wetenschappers eerder aflegden. Sparrow geeft bovendien aanwijzingen voor het sterrenkijken zelf. Doe zoals Albert Einstein al adviseerde: ‘Kijk naar de sterren en leer van ze.’

Dit eBoek is een uitgave van Fontaine Uitgevers, Amsterdam

www.fontaineuitgevers.nl

Oorspronkelijke titel: The History of the Universe in 21 Stars (and 3 Impostors)

Oorspronkelijke uitgever: Welbeck

© 2022 Giles Sparrow

Voor de Nederlandstalige uitgave:

© 2022 Fontaine Uitgevers, Amsterdam

www.fontaineuitgevers.nl

Vertaling: Rob de Ridder, Harich

Omslagontwerp: Select Interface, Amersfoort

eBoek verzorging: Pre Press Media Groep, Leerdam

ISBN 978 94 6404 198 9

NUR 400

Deze digitale uitgave is gemaakt naar de eerste druk, 2022 met ISBN 978 94 6404 197 2

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm, elektronisch databestand of op welke andere wijze ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Deze uitgave is met de grootst mogelijke zorgvuldigheid samengesteld. Noch de maker, noch de uitgever stelt zich echter aansprakelijk voor eventuele schade als gevolg van eventuele onjuistheden en/of onvolledigheden in deze uitgave.

Opgedragen aan Katja,
voor haar steun in vreemde tijden

INHOUD

Inleiding

1. Polaris
De basiskennis leren van de luiste ster aan de sterrenhemel

2. 61 Cygni
Het meten van de afstand tot een vliegende ster

3. Aldebaran
Hoe de kleur van een reus zijn geheimen onthult

4. Mizar (en zijn vrienden)
Een vlot walsje tussen meervoudige sterren

5. Alcyone en haar zussen
Hoe de mooiste sterrenhoop aan de hemel een belangrijk diagram inspireerde

6. De zon
De ster voor de deur en wat die ons kan vertellen

7. Het Trapezium en andere wonderen
Nevels en de oorsprong van sterren

8. T Tauri
De essentie van de geboorte van sterren

9. Proxima Centauri
Verrassend sterke dwergsterren

10. Helvetios
Op zoek naar vreemde nieuwe werelden

11. Algol
Variabele sterren en verborgen dubbelsterren

12. Mira
Van rode reuzen en pulserende sterren

13. Sirius (en zijn broertje)
De schitterende Hondsster en zijn stiekeme begeleider

14. RS Ophiuchi
Een ster die af en toe knettert, en op een dag uit elkaar knalt

15. Betelgeuze
De grootste sterren aan de hemel en hoe die te meten

16. Eta Carinae
Het noodlot van monstersterren

17. De Krabpulsar
Een beroemde supernova en wat ervan over is

18. Cygnus X-1
Op zoek naar een zwart gat in een donker heelal

19. Eta Aquilae
Cepheïden – een meetlint voor de kosmos

20. Bedrieger nr. 1: Omega Centauri
Bolvormige sterrenhopen: sterrensteden met verouderende populaties

21. S2
Een reisje naar het centrum van de Melkweg

22. Bedrieger nr. 2: Andromedanevel
Een buursterrenstelsel en het grotere heelal

23. Bedrieger nr. 3: 3C 273
Quasars: bakens in de verre kosmos

24. Supernova 1994D
Donkere materie, donkere energie en het einde van alles

Dankbetuiging

Eindnoten

INLEIDING

Twinkel, twinkel kleine ster…

Dit boek gaat over sterren, als je dat al niet dacht.

Ze zeggen dat je in een heldere nacht, als je ver weg bent van de moderne ellende van lichtvervuiling, geniet van een kaarsrechte horizon en je je worteltjes netjes hebt opgegeten, je er misschien wel 4500 ziet. De sterrenhemel staat vol met die dingen en bij die gelegenheden waarin je in een echt heldere nacht ergens bent waar het écht donker is, kunnen het er wel zoveel zijn dat je niet meer weet waar je het moet zoeken, ook al ken je de helderste sterrenbeelden maar al te goed (wat eigenlijk min of meer mijn baan is).

Pak een beetje redelijke verrekijker en het aantal sterren aan jouw uitspansel springt direct naar meer dan honderdduizend. Met een kleine telescoop kom je algauw op ruim 2,5 miljoen – voldoende om zelfs de fanatiekste sterrenkijker verscheidene levens bezig te houden. Maar zelfs dit is nog maar het topje van de kosmische ijsberg – de nauwkeurigste schattingen suggereren dat het sterrenstelsel de Melkweg (die gigantische schijf van hemellichamen die wij thuis noemen) alles bij elkaar wel 400 miljard sterren bevat, en dat er ieder jaar zes tot zeven nieuwe sterren in ontstaan. En dan moet je waarschijnlijk voor het totaal aantal sterren het kwadraat van 400 miljard nemen aangezien er minstens zoveel sterrenstelsels in het heelal zijn als sterren in de Melkweg.

Dit alles duidt erop dat sterren niet zomaar een extraatje zijn, dat die leuke lichtjes aan de nachtelijke hemel er niet ter versiering staan. Nee, we leven in feite van hun goodwill – zij zijn zo’n beetje de enige dingen in het heelal die in staat zijn warmte en licht te produceren om het aardoppervlak te verwarmen als bescherming tegen de ijzige onverschillige kou van de ruimte. Bovendien zouden kleinere werelden zelf niet bestaan zonder de drijvende kracht van de zwaartekracht voor stervorming. Warmte en licht uit de ruimte, samen met geologische energie uit de planeten zelf, zijn de enige energiebronnen die we kennen die de kracht leveren aan de bende biochemische reacties die we leven noemen.

Maar onze intieme relatie met de sterren gaat verder dan dat ze ons voeden – zoals Carl Sagan het zo gedenkwaardig heeft uitgedrukt: ‘We zijn van sterrenstof gemaakt.’ Het boek dat je nu leest bestaat uit atomen die vermoedelijk al een paar keer door deze grote kosmische recyclers zijn gegaan, net als de lucht die je inademt, de stoel waarop je zit en iedere molecuul in je lijf (afgezien van de waterstof, die je rechtstreeks van de oerknal zelf hebt geërfd).

Sterren, met andere woorden, zijn alles. En het moet dus wel een halvegare zijn die de geschiedenis van naar schatting 160.000.000.000. 000.000.000.000 sterren wil gaan vertellen aan de hand van niet meer dan 21. Er zijn echter gelukkig een paar dingen die de balans in mijn voordeel laten doorslaan.

Ten eerste gehoorzamen sterren aan de wetten van de natuurkunde, net zo zeker als dit boek als je het op je tenen laat vallen. Hoewel iedere ster een uniek onderzoeksobject is, gaan ze allemaal door dezelfde fases in de cyclus van leven en dood, stralen ze dankzij dezelfde basisprincipes en zijn ze onder te brengen in verschillende categorieën – en dit alles betekent dat wat waar is voor de ene ster, ook min of meer waar is voor miljarden andere.

Ten tweede wordt het verhaal, dat al eeuwenlang door generaties sterrenkijkers beetje bij beetje wordt ontrafeld, nu aanmerkelijk sneller verteld dan toen ik als jonge en gretige student in de sterrenkunde begon. Ruimtetelescopen en reusachtige door computers gecontroleerde telescopen op aarde hebben voor revolutie in de astronomie gezorgd. Vanaf de jaren negentig hebben we de naweeën van de oerknal in kaart weten te brengen, zijn we de processen die geboorte en sterven van sterren veroorzaken, gaan begrijpen, hebben we duizenden buitenaardse werelden ontdekt, en hebben we een heel nieuwe manier gevonden om de verre kosmos te bestuderen aan de hand van zwaartekracht in plaats van licht.A Ik ben ten gevolge van dit alles uitermate dankbaar dat ik voor dit boek kan putten uit een enorme hoeveelheid kennis, theorie en weloverwogen speculatie.

O, en ten derde, ik heb een beetje valsgespeeld. Mijn handjevol sterren zijn gekruid met een aantal verschillende andere objecten: bedriegers die ergens in hun geschiedenis zijn aangezien voor sterren. Nu zijn ze hier om te helpen ons verhaal te schilderen op het grootst mogelijke doek: het heden, het verleden en de toekomst van het heelal zelf.

* * *

De sterren die we op de volgende bladzijden gaan bezoeken, zijn om uiteenlopende redenen uitgekozen. Sommige, zoals 61 Cygni en Sirius B, hebben een unieke rol gespeeld in de ontdekking van ons plaatsje in het universum. Andere, zoals Aldebaran en Eta Aquilae, zijn goede vertegenwoordigers van grote families van hemellichamen en helpen bij het vertellen van het grotere verhaal. Maar in de meeste gevallen is het een mix van die twee dingen.

Bovenal heb ik echter geprobeerd ervoor te zorgen dat zo veel mogelijk van deze objecten binnen bereik komen. Om de meeste ervan te kunnen zien heb je niet meer nodig dan een heldere, donkere hemel en misschien een app op je mobiel om je de weg te wijzen (waar je ook de illustraties in dit boek voor kunt gebruiken). Een handjevol andere sterren kan worden waargenomen met een gewone verrekijker of een kleine telescoop. Slechts enkele blijven, door hun aard, beperkt tot de wereld van de serieuzere amateur of de professionele astronoom.

Astronomie is de oudste van alle wetenschappen en de aantrekkelijkste, en wel om een goede reden: haar toegankelijkheid. Elk van ons kan vanavond naar buiten gaan en lichtstralen opvangen van een verre ster, die na een lange reis, die misschien duizenden jaren geleden is begonnen, nu ons oog raken achter ons netvlies en een glinstering naar onze oogzenuw sturen. De enorme schaal van de ruimte en ons naar verhouding onbenullige plekje daarin kunnen intimiderend zijn, maar ook het verlangen oproepen vragen te gaan stellen en meer te willen weten: Ik vraag me af wat jij bent. In deze merkwaardige tijden van isolement – zoals tijdens de covidpandemie – kan staren naar de sterren ook de troost bieden van een gemeenschappelijke ervaring – in het omhoogkijken naar dezelfde sterren vinden we iets om te delen met anderen, ver en dichtbij. Dus ga naar buiten als je kunt en kijk hoeveel van de 21 sterren (en de drie bedriegers) je zelf kunt waarnemen.

Giles Sparrow, mei 2020

A O ja, dan hebben we ook nog ontdekt dat iets ervoor zorgt dat de ruimte met almaar toenemende snelheid uitdijt, maar dat zien we straks wel.

1. POLARIS

De basiskennis leren van de luiste ster aan de sterrenhemel

Laten we beginnen met een makkie.

Polaris of de Poolster is waarschijnlijk de bekendste ster aan het uitspansel, ook al is hij niet de helderste. Hij heeft ook als voordeel dat je, als je je op het noordelijk halfrond bevindt tenminste, in staat zou moeten zijn hem elke nacht van het jaar te vinden. Als je daarentegen ten zuiden van de evenaar bent, dan is dit de enige ster in dit boek waarmee je zeker geen geluk zult hebben – maar houd nog even vol en we komen zo bij je terug…

Er zijn verschillende manieren om de Poolster te vinden. Wil je lui zijn, dan kun je een kompasapp op je mobiel openen en zoeken naar een behoorlijk heldere ster op een lijn tussen het noorden en het zenit (het punt in de hemel recht boven je hoofd).

Maar als je mobiel niet opgeladen is of als je dingen graag op een ouderwetse manier doet, dan kun je de traditionele route nemen: maak gebruik van een heldere en bekendere groep sterren om er te komen. Het patroon van zeven sterren dat bekend is als de Steelpan staat altijd aan de sterrenhemel boven bijna het hele noordelijk halfrond – in herfst en winter schommelt het laag boven de noordelijke horizon en in de zomer staat het hoog boven ons hoofd. De Steelpan is geen officieel sterrenbeeld, maar is het helderste deel van het veel grotere sterrenbeeld Ursa Major, de Grote Beer.

Drie van deze zeven sterren vormen een gebogen steel, terwijl de vier andere een schuin hangende rechthoek vormen (een steelpan, volgens mensen elders in de wereld een ploegschaar, of een grote soeplepel). De sterren die het verst van de steel staan – Merak onderaan en Dubhe bovenaan, als je tenminste ‘op de juiste wijze’ naar boven kijkt – worden wel de ‘aanwijzers’ genoemd. Volg langs een denkbeeldige lijn ongeveer vijf keer de afstand Merak-Dubhe langs Dubhe en je komt bij een iets minder felle ster: dat is de Poolster.

Heb je dit eenmaal een paar keer gedaan, dan gaat het daarna automatisch en heb je algauw die aanwijzers niet meer nodig om het sterrenbeeld te vinden waar de Poolster deel van uitmaakt, Ursa Minor of Kleine Beer. Zoals je wel kunt raden lijkt dit wel een kleinere en minder heldere versie van de Steelpan, met een ‘steel’ van drie sterren die naar een pan van vier sterren wijst. De Poolster is de laatste ster van de steel en tevens de helderste ster van de Kleine Beer. Officieel heet hij trouwens Alpha Ursae Minoris op grond van een systeem (verzonnen door de Duitse astronoom Johann Bayer voor zijn sterrenatlas Uranometria uit 1603), dat de helderste sterren van een sterrenbeeld letters uit het Griekse alfabet in volgorde toebedeelt.

De Poolster valt op onder de sterren omdat hij op een vast punt aan de sterrenhemel staat – het is de enige ster die nauwelijks beweegt. Dat komt doordat hij bijna recht boven de noordpool van de aarde staat. Als je vanuit de ruimte naar de aarde zou kunnen kijken en een lijn trekken die door beide polen gaat, dan zou die wijzen naar een punt heel dicht bij de Poolster, de zogenaamde noordelijke hemelpool.

De hemelpool staat stil omdat de meeste bewegingen van de sterren en andere objecten, inclusief de zon en de planeten, niets te maken hebben met deze hemellichamen zelf – ze hangen bijna helemaal af van de draaiing van de aarde zelf en de baan van onze planeet door de ruimte. De aarde draait om zijn as (en heeft 23 uur en 56 minuten nodig voor een complete rotatie), maar gezien van waar jij staat lijkt het wel alsof de sterrenhemel in tegengestelde richting draait.A Blijf een paar minuten naar de nachtelijke hemel kijken en je zult zien dat de sterren langzaam van oost naar west bewegen, terwijl jouw locatie op aarde onverbiddelijk oostwaarts gaat.

Foto’s van de sterrenhemel die met een lange sluitertijd zijn gemaakt, laten dit schitterend zien: de sporen van de sterren lopen als heldere kromme lijnen langs de sterrenhemel. De meeste sterren komen van onder de oostelijke horizon, bereiken hun hoogste punt als ze een noord-zuidlijn langs de sterrenhemel passeren die de meridiaan genoemd wordt, om onder te gaan in het westen. Maar sterren die zich heel dicht bij de hemelpool bevinden, zijn ‘circumpolair’, dat wil zeggen dat ze niet opkomen of ondergaan, maar een cirkelvormige route langs de hemel volgen. Voor sterrenkijkers op het noordelijk halfrond markeert de Poolster de roos van deze concentrische ringen, maar op beide halfronden doet zich hetzelfde effect voor.

Hoe hoog precies de Poolster aan de hemel staat en welke sterren en sterrenstelsels circumpolair zijn, hangt af van de geografische breedte. Dat is jouw positie op het aardoppervlak, gemeten in graden ten noorden of ten zuiden van de evenaar. Zou je op de Noordpool zelf staan (90° NB, noorderbreedte), dan zou de hemelpool zich recht boven je hoofd bevinden en zouden alle sterren aan de hemel circumpolair zijn, dat wil zeggen cirkelvormige banen volgen parallel aan de horizon, zonder op te komen of onder te gaan. Zou je echter zuidwaarts gaan, dan zakken de Poolster en de hemelpool geleidelijk naar de noordelijke horizon en wordt de cirkel van circumpolaire sterren steeds kleiner.B

Oké, dit lijkt de juiste plaats om over de hoeken in de sterrenhemel te praten. Die worden op precies dezelfde manier berekend als hoeken op aarde. Van de meetkunde op school zul je je nog wel herinneren dat het hele uitspansel om je heen 360 gradenC is en een rechte hoek 90 graden (zoals bijvoorbeeld de hoek tussen de horizon en het zenit recht boven je hoofd). Iedere graad is verdeeld in 60 boogminuten en iedere boogminuut in 60 boogseconden (dus je kunt bijvoorbeeld een hoek hebben van 5° 32’ 15” – of wel 5 graden, 32 minuten en 15 seconden.

Strek nu je arm voor je uit zo snel als je kunt en spreid je vingers – dat is dan ongeveer tien graden (ruwweg de breedte van de ‘pan’ van de Steelpan). Maak een vuist, dat is ongeveer vijf graden (min of meer de afstand tussen Dubhe en Merak). Steek je duim op, dat is dan ruwweg één graad breed. De zon en de vollemaan hebben een diameter van ongeveer een halve graad en de grens van de detailscherpte (waardoor je details kunt onderscheiden) is bij mensen die goed kunnen zien ongeveer een boogminuut.

De Poolster staat ongeveer een halve graad van de noordelijke hemelpool zelf en beschrijft ten gevolge daarvan een heel klein cirkeltje rond de hemelpool. Als je beseft dat het wel erg toevallig is dat een ster die honderden biljoenen kilometers ver is, precies daar staat, moeten we wel heel gelukkig zijn dat het zo’n helder baken is dat op die centrale as aan de sterrenhemel staat.

OP ZOEK NAAR DE ZUIDELIJKE POOLSTER

De sterrenhemel rond de zuidelijke hemelpool verschilt nogal van zijn noordelijke tegenhanger en zit vol zwakke sterren in behoorlijk obscure sterrenbeelden, die zijn verzonnen door de Franse astronoom Nicolas-Louis de Lacaille, die in het midden van de achttiende eeuw enige tijd op Kaap de Goede Hoop verbleef. De zuidelijke hemelpool zelf ligt in het sterrenbeeld Octans, ook bekend als Octant, een niet meer gebruikt navigatie-instrument. Een zwakke ster genaamd Sigma Octantis staat zo op het oog het dichtst bij de pool, maar er nog altijd een graad vandaan. Gelukkig zijn er andere manieren om de zuidelijke hemelpool te vinden.

Volg het Zuiderkruis: De klassieke techniek om de zuidelijke poolster te vinden is om eerst de befaamde compacte groep van de Crux Australis te vinden, het Zuiderkruis (maar pas op voor namaak: er zijn een paar op een kruis lijkende patronen om de onoplettende kijker in de war te brengen). Trek een denkbeeldige lijn langs de as van het kruis van Gacrux bovenaan naar de helderste ster Acrux onderaan en verleng die lengte ongeveer vierenhalf keer (dan mis je de pool met een paar graden, maar ben je in ieder geval in de buurt).

Trek een driehoek van heldere sterren: Zoek de sterren Canopus (de op een na helderste ster in de hemel, in sterrenbeeld Carina) en Achernar (de heldere ster aan het einde van het sterrenbeeld Eridanus, genoemd naar de mythische rivier de Eridanos). Stel je nu een gelijkzijdige driehoek voor met deze sterren als twee van de hoeken, die zich ver in de zuidelijke hemel uitstrekt. De zuidelijke hemelpool ligt op de plaats van de ‘ontbrekende’ hoek.

In de laatste eeuwen v.C. transformeerden Griekse sterrenkundigen het systeem van hoekmetingen in de hemel tot een theoretisch model van het universum, waarin de aarde omringd werd door een reeks concentrische, in elkaar passende bollen die de zon, maan, sterren en planeten droegen.

Het idee van deze bollen was in de vierde eeuw v.C. ontstaan bij de grote hellenistische denker Plato. Hij was altijd al een liefhebber geweest van lastige vragen en dacht er nu diep over na of de schijnbaar onvoorspelbare bewegingen van zon, maan en planeten niet verklaard zouden kunnen worden uit een set interacterende cycli, die elk een ronddraaiende beweging met uniforme snelheid betrof (voor Grieken maakte het idee van circulariteit en uniformiteit niet alleen het rekenen eenvoudiger, maar ook paste dit bij hun ideeën over natuurlijke perfectie).

Plato’s idee was zo aantrekkelijk dat zijn leerlingen de daaropvolgende eeuwen besteedden aan pogingen om dit te laten werken, door steeds meer kristallen bollen toe te voegen en het stelsel steeds verder te verfijnen tot ze uiteindelijk uit zouden komen op een model, dat de bewegingen van de planeten correct voorspelde. De sterren waren tenminste simpel – die hadden alleen maar een enkele bol nodig, die vastzat aan de hemelpolen en die één maal per dag een rondje maakte.

In de tweede eeuw n.C. formuleerde Ptolemaeus van Alexandrië, een Grieks-Egyptische veelweter die we in de loop van dit verhaal nog vaker zullen tegenkomen, zijn eigen visie op dit Heath-RobinsonheelalD in het geweldige astronomische leerboek dat bekend is als de Almagest.E Het is een klassieke bestseller die bijna 1500 jaar het laatste woord was over de astronomie, totdat een stelletje onbeschaamde renaissancegeleerden eerst de plaats van de aarde in het middelpunt van het heelal in twijfel gingen trekken, en daarna het heilige principe van de uniforme ronddraaiende beweging.

In de eerste jaren van de zeventiende eeuw kwamen, dankzij het werk van de Duitse astroloog Johannes Kepler,F elliptische paden of ‘banen’ rond de zon helemaal in. Nu al die objecten zich op verschillende afstanden van de zon konden voortbewegen, was er geen plaats meer voor de planetaire bollen, maar het concept was zo handig dat astronomen het idee wel bleven gebruiken voor de buitenste bol met ‘vaste sterren’ die de aarde omgaf. Tot op de dag van vandaag biedt deze hemelbol een coördinatenstelsel waaraan al het andere kan worden afgemeten.

* * *

De simpelste manier om je een hemelbol voor te stellen is als een uitbreiding van het bekende coördinatensysteem van de aarde, geprojecteerd op een denkbeeldige koepel die het hele uitspansel omvat. In werkelijkheid varieert de afstand tot sterren, planeten en andere hemellichamen onvoorstelbaar veel, maar vanuit ons punt van waarneming op aarde is het enige wat ons bezighoudt hun richting, zodat we de zaken kunnen vereenvoudigen door ons voor te stellen dat ze langs die koepel bewegen. Hemelpolen (boven de geografische noord- en zuidpool) markeren de draaipunten, terwijl halverwege deze twee de hemelevenaar loopt die de hemelbol in tweeën deelt, net als de aardevenaar de aarde, in een noordelijk en een zuidelijk halfrond.

Sterrenkijkers op aarde krijgen afhankelijk van tijd en plaats verschillende delen van de hemelbol te zien. Het behoeft geen betoog dat de helft van de bol op enig moment aan het zicht wordt onttrokken door het ding waar je op staat, maar als je naar de juiste hemelpool kijkt, dan kun je circumpolaire sterren zien ronddraaien rondom een vast punt in de sterrenhemel, terwijl je, als je de andere kant op kijkt, sterren kunt zien opkomen aan de oostelijke horizon, de meridiaan oversteken om in het westen onder te gaan. De hemelevenaar loopt van het oosten recht naar het westen en kruist de meridiaan in een hoek die samenhangt met de breedte van waar we ons bevinden.G Onder de hemelevenaar zien astronomen sterren in het tegengestelde hemelhalfrond.

De oriëntatie van de sterrenhemel en die van de sterren die je op een bepaald tijdstip in de nacht ziet, veranderen ook in de loop van het jaar, aangezien ons systeem om de tijd bij te houden gebaseerd is op de zon in plaats van de andere sterren. Terwijl de aarde in ieder jaar één keer om de zon draait, verandert de zon heel langzaam van richting ten opzichte van de sterren verder weg; hij beweegt zich zuidwaarts door de band sterrenbeelden die we zodiak of dierenriem noemen, zodat alles wat er dichtbij is, erdoor wordt overstraald. Sterren en planeten komen eerst van hun ontmoeting met de zon tevoorschijn aan de oostelijke ochtendhemel, gaan in de maanden daarna langzaam westwaarts terwijl ze steeds verder van de zon komen, voordat ze uiteindelijk in de zonsondergang verdwijnen als ze weer in de buurt van de zon komen.

De baan van de zon langs het uitspansel wordt de ecliptica genoemd – hoewel het in werkelijkheid het vlak is van de baan van de aarde zelf rond de zon. Doordat de aardpolen scheef liggen, ligt de ecliptica scheef ten opzichte van de hemelevenaar en wel in een hoek van 23,5° ten opzichte van dit vlak, de ‘helling’. Daardoor komt het dat de zon zich de helft van het jaar in het noordelijk hemelhalfrond bevindt en de andere helft in het zuidelijk hemelhalfrond, waardoor het andere halfrond op aarde langere dagen heeft; de punten waar dag en nacht precies even lang zijn, heten de equinoxen.

Maar de nukken van de baan van de aarde betekenen dat de Poolster niet altijd de poolster is geweest en dat in de toekomst ook niet meer zal zijn. De planetaire helling, die de polen een hoek van 23,5° laat maken met de ecliptica, verandert langzaam van richting door de zwaartekracht van zon en maan, die aan de 20 kilometer brede uitstulping rond de evenaar trekken.H Ten gevolge hiervan beschrijven de noorden de zuidpool een trage cirkel, de zogenaamde axiale precessie, die 25.772 jaar duurt, en in dezelfde tijd wandelen de hemelpolen ook door het uitspansel. De Poolster bevindt zich toevallig in de vuurlinie van de noordelijke hemelpool, maar 4000 jaar geleden bevond Kochab, de op een na helderste ster van de Kleine Beer, zich er dichterbij. Over zo’n 12.000 jaar zal een heel heldere ster, Wega in het sterrenbeeld Lier, binnen vier graden van de pool komen te staan. Astronomen op het zuidelijk halfrond hoeven nog maar 5000 jaar te wachten voordat hun hemelpool betrekkelijk snel na elkaar dicht bij drie heldere sterren komt.

* * *

En hoe zit het dan met de Poolster zelf? Is hij niet meer dan een saaie ster die toevallig op de juiste plaats staat op het juiste moment? Gelukkig is dat niet het geval – en in feite is de noordelijke poolster een geweldig voorbeeld van enkele verschillende soorten hemellichamen die we in latere hoofdstukken beter zullen leren kennen. Zo is de Poolster bijvoorbeeld een veranderlijke ster; hij schijnt niet met constante helderheid, maar pulseert een beetje, dat wil zeggen dat de helderheid toe- en afneemt in een cyclus van ongeveer vier dagen.

De helderheid van sterren wordt gemeten met behulp van een systeem dat magnitude heet, een logaritmische schaal van getallen, met hoe groter de helderheid, hoe lager het getal. Vroeger werden de helderste sterren ingedeeld bij de eerste magnitude en de zwakste bij de zesde.I Kijk je er zo naar, dan behoort de Poolster midden in de derde magnitude, maar gelukkig kunnen we tegenwoordig wat nauwkeuriger zijn dan dat.

In 1856 verzon de jonge astronoom Norman Pogson, die een carrière in het fabriceren van vitrages had laten schieten om zich aan de wetenschap te wijden, dat er een honderdvoudig verschil was in helderheid tussen een typische ster van de eerste magnitude en een van de zesde. Hij formaliseerde dat systeem met de exacte factor 2,512 tussen iedere opvolgende magnitude (omdat 2,512⁵ = 100), en kalibreerde de hele schaal door de Poolster een magnitude toe te kennen van precies 2,0.J¹ Dit betekende dat de helderste sterren aan de sterrenhemel, zoals Sirius en Canopus, plotseling een negatieve magnitude bleken te hebben, aangezien ze veel en veel helderder waren dan de Poolster.

Op deze moderne magnitudeschaal (die schijnbare magnitude heet aangezien daarmee slechts de helderheid wordt vastgesteld gezien vanaf de aarde), schommelt de Poolster tussen magnitude 1,86 en 2,13, met een gemiddelde van 1,98. Zoals bij veel sterren worden die veranderingen veroorzaakt door pulsatie, maar terwijl de meeste pulserende sterren rood zijn, is de Poolster geel. Het is dan ook een voorbeeld van een type hemellichaam dat een Cepheïde wordt genoemd, waarover we nog veel meer zullen lezen als we op bezoek gaan bij Eta Aquilae.

Iets anders wat de moeite waard is om te worden opgemerkt, is dat de Poolster, zoals zoveel heldere sterren, niet alleen is. Terwijl bijna al het licht dat we zien, afkomstig is van de hoofdster (officieel Polaris Aa) heeft hij twee kleinere begeleiders in de ruimte, elk van hen iets heter en met iets meer helderheid dan onze zon. Een van deze begeleiders, Polaris B, werd in 1779 ontdekt en kan met een redelijke telescoop worden waargenomen, terwijl de andere (Polaris Ab) te dicht bij Polaris Aa staat om gezien te kunnen worden met iets dat geen ruimtetelescoop Hubble is.² Van deze afstand hebben Polaris B en Polaris Ab een magnitude van respectievelijk 8,7 en 9,2, en dat is minder dan met het blote oog te zien is.

De laatste afstandsmetingen van de Poolster (gedaan met een techniek genaamd parallax, die de kern vormt van het volgende hoofdstuk) suggereren dat de ster zich zo’n 447 lichtjaar van de aarde bevindt – zo ver weg dat de fotonen, lichtdeeltjes, die op jouw netvlies vallen als je naar de Poolster kijkt, hun reis naar de Aarde begonnen toen koningin Elizabeth I op de Engelse troon zat.³ Of Willem van Oranje stadhouder was. Hoewel professionele astronomen er een beetje hun neus voor ophalen, is het lichtjaar een goede manier om grote astronomische afstanden mee aan te duiden en wij houden ons er in dit boek gewoon aan. In meer alledaagse termen is een lichtjaar ongeveer 9,46 biljoen (miljoen maal miljoen) kilometer – de afstand die licht, het snelste deeltje in het heelal, per gemiddeld jaar aflegt.

Aangezien we weten hoe helder de sterren er vanaf de aarde uitzien, kunnen we berekenen hoe helder een ster echt is. Polaris Aa blijkt gemiddeld 2500 keer zo helder als de zon,K waarmee hij in een klasse van sterren valt die we superreuzen noemen.

De noordelijke poolster verbergt echter toch nog een raadsel voor ons. Omdat hij al zo lang en zo nauwlettend wordt geobserveerd, kunnen astronomen kijken in verslagen tot Ptolemaeus zelf aan toe en nagaan hoe de ster in de loop van de tijd is veranderd. En dan lijkt het dat de relatieve helderheid van de Poolster aanmerkelijk is toegenomen en dat hij de afgelopen paar duizend jaar misschien wel tweeënhalf keer zo helder is geworden (een hele magnitude). Recentere en nauwkeuriger metingen laten intussen ook zien dat de pulsaties van de Poolster kleiner zijn geworden naarmate de helderheid toenam (in de jaren negentig waren ze bijna weg, maar sindsdien zijn ze weer toegenomen).⁴

Dergelijke veranderingen zouden heel ongewoon zijn; afgezien van regelmatige pulsaties worden sterren niet verondersteld dit soort grote verschuivingen in helderheid te vertonen binnen wat in astronomische termen een relatief korte periode is. Aannemend dat de veranderingen echt zijn, zien we de Poolster misschien toevallig op het punt een belangrijke drempel over te steken in zijn evolutie, zoals een ommekeer in de inwendige processen van de energieopwekking, die van invloed zijn op de totale energieoutput van de ster. We zullen naar meer van dergelijke sleutelmomenten in een sterrenleven kijken als we in een later hoofdstuk bij de befaamde pulserende ster Mira aankomen.

‘Ik ben zo constant als de noordelijke ster, van wiens waarlijk vaste en blijvende kwaliteit geen andere is aan het uitspansel,’ laat Shakespeare Julius Caesar zeggen. Geheel onjuist, zo lijkt het.

A Intussen gaat de zon ongeveer vier minuten lang de andere kant op, en daardoor hebben we een dag van 24 uur.

B Handige tip: op welk halfrond je ook bent, jouw hemelpool bevindt zich boven de horizon in een hoek die gelijk is aan jouw breedtegraad.

C Het systeem gaat terug tot ongeveer vierduizend jaar geleden naar de Mesopotamiërs, die alles graag zagen in meervouden van 60 omdat dat getal ‘multifactorieel’ is: je kunt het op een heleboel manieren opdelen in factoren en dan komt er nog steeds een heel getal uit. In de dagen voor de rekenmachine Casio FX-80 was dit een belangrijk getal en kon je er makkelijk mee uit je hoofd rekenen (of tenminste op een kleitablet).

D Naar de tekenaar van superingewikkelde machines om eenvoudige dingen uit te voeren.

E Een titel die er later door Arabische astronomen aan is gegeven en ‘De Grootste’ betekent. Niet slecht, volgens de recensies, en zeker pakkender dan de oorspronkelijke titel Syntaxis mathematica.

F Vóór de achttiende eeuw waren astronomie en astrologie grotendeels inwisselbaar, aangezien bijna iedereen die onderzocht wat de sterren precies uitvoerden, dat deden om voorspellingen te kunnen doen – Galileo was een opmerkelijke uitzondering.

G De maximale breedte van de evenaar in jouw plaatselijke hemel is domweg 90° min je eigen breedte.

H Net als Asterix’ vriend Obelix is de aarde niet dik, maar heeft hij vetrolletjes om zijn middel. Dat komt door de snelle draaiing van onze planeet, waardoor de evenaar letterlijk probeert weg te vliegen, de ruimte in.

I We hebben dit systeem geërfd van Ptolemaeus, dus geef hem er maar de schuld van, of misschien de oude Griek Hipparchus (tweede eeuw n.C.), aan wie de uitvinding vaak wordt toegekend (ook al is alles wat hij over het onderwerp te zeggen heeft gehad, voor het nageslacht verloren gegaan).

J Later, toen bleek dat de helderheid van de noordelijke poolster wat beverig was, gingen de astronomen voor hun kalibratiepunt over op de betrouwbaarder Wega met magnitude 0,03.

K Klinkt indrukwekkend? Wacht tot we bij Eta Carinae zijn aanbeland…

2. 61 CYGNI

Het meten van de afstand tot een vliegende ster

Als de aarde echt om de zon draait, waarom voelen we dat dan niet? Die vraag hield al vanaf de tijd van het oude Griekenland talloze geleerden en filosofen bezig en werd steeds prangender toen de op sterven liggende Poolse priester Nicolaas Copernicus in 1543 zijn theorie over het heelal had ontvouwd.

Dit is niet de plek om gedetailleerd verslag te doen van de copernicaanse revolutie, maar een van de op gezond verstand gebaseerde bezwaren in de Renaissance tegen het idee van een heliocentrisch model (dat wil zeggen met de zon in het midden) van het heelal (in plaats van het geocentrisch model, met de aarde in het midden) was een alleszins redelijke vraag: waarom heeft onze veranderende plaats van waarneming geen invloed op de stand van de sterren in de loop van het jaar? Het antwoord is dat die dat wel heeft – maar slechts een klein beetje. Het definitieve bewijs werd pas heel laat geleverd, lang nadat het copernicaanse debat was beslecht door het formidabele team Galileo Galilei en Johannes Kepler,* maar het zoeken naar de verschuiving was toch nog bijna twee eeuwen lang voor astronomen een belangrijk project. De oplossing werd beschouwd als een deur waardoor de schaal van het heelal zelf zou kunnen worden onthuld, en een onopvallende ster genaamd 61 Cygni zou de sleutel blijken te zijn.

Vergeleken met romantisch klinkende namen als Polaris, Rigel en Aldebaran is 61 Cygni nogal saai. Dat komt omdat hij, ook al is hij een met het blote oog zichtbare ster met magnitude 5,2, makkelijk over het hoofd wordt gezien en zelfs niet in de sterrencatalogus werd opgenomen totdat de eerste Astronomer Royal, John Flamsteed, de zaak aan het einde van de zeventiende eeuw systematisch ging aanpakken vanuit het modieuze, nieuwe Koninklijk Observatorium in Greenwich. Hij was zo verstandig in te zien dat niemand een hele stapel nieuwe sterrennamen en aanduidingen opnieuw zou willen leren en koos er dan ook voor om ‘de gaten te dichten’ die waren opengelaten toen de grote sterrencartograaf Johann Bayer door de Griekse letters heen was of gewoon geen zin had om achter de zwakste sterretjes aan te gaan. Flamsteed catalogiseerde methodisch die ‘achtergelaten’ sterren aan de hand van hun ‘rechte klimming’ (de coördinaat waarmee de positie van een ster wordt aangeduid ten opzichte van de hemelevenaar) door hun positie in ieder sterrenbeeld van west naar oost na te gaan. Hiervoor moest hij rechte lijnen trekken en de sterrenbeelden verdelen in gebieden aan de sterrenhemel in plaats van in subjectieve patronen, maar hieruit ontstond een coherent systeem dat vandaag de dag nog wordt gebruikt.

Zoals je al kunt afleiden uit het naar verhouding hoge getal ligt 61 Cygni in een sterrenbeeld – Cygnus, Zwaan – dat vol zit met met het blote oog zichtbare sterren. Dit grote en opvallende patroon lijkt ruwweg op een vogel met een lange nek die zuidwaarts door de Melkweg vliegt, met de heldere ster Deneb die de staartveren in het noorden aangeeft en Albireo (een prachtige oranje-en-blauwe dubbelster) zijn snavel in het zuiden. Het is een bekend sterrenbeeld in het noorden in zomer en herfst, wanneer het bijna recht boven ons passeert, terwijl astronomen op het zuidelijk halfrond het op de avonden tussen augustus en oktober zien boven de noordelijke horizon.

61 Cygni staat net achter de uitgestrekte westelijke vleugel van de Zwaan. Je kunt hem het makkelijkst vinden door langs de lijn te kijken van Sadr, de centrale ster midden in de kruisvorm van Cygnus, in de richting van Epsilon Cygni iets naar het zuidoosten. Achter deze lijn weggestopt ligt een kleine rechthoekige driehoek bestaande uit Zeta, Nu en Tau Cygni. 61 Cygni ligt net voorbij halverwege de lijn die Nu met Tau verbindt.

Onze ster heeft een magnitude van 4,8 en je zou hem dus met het blote oog moeten kunnen zien aan de donkere sterrenhemel, als je ogen eenmaal aan het duister gewend zijn, maar in het licht van de stad zie je hem met een verrekijker makkelijker. Heeft die een vergroting van 10 of meer en kun je je handen goed stilhouden, dan kun je nu ook het eerste geheim van de ster zien: het is een dubbelster die bestaat uit twee oranjekleurige sterren, de ene met magnitude 5,2 een beetje lichtkrachtiger dan de andere met magnitude 6,1.

De dubbele aard van 61 Cygni werd in september 1753 voor de eerste keer waargenomen door astronoom James Bradley en in de daaropvolgende decennia werden de sterren af en toe bezocht door astronomen die de aard van dergelijke paren van dicht bij elkaar staande sterren te weten wilden komen. Toch duurde het nog tot 1792 voordat iets merkwaardigs werd opgemerkt door de Italiaan Giuseppe Piazzi, een katholieke priester en astronoom wiens kort daarvoor opgerichte Palermo Observatorium beschikte over de modernste apparatuur om posities van sterren te meten: de positie van de tweelingsterren was verschoven en lag nu een klein beetje maar onmiskenbaar ten noordoosten van de locatie die Bradley had opgegeven.⁵

Op dat moment maakte Piazzi wel een notitie van deze ongebruikelijke verschuiving door de hemel (een verschijnsel dat astronomen ‘eigenbeweging’* noemen), maar hij wist deze pas te bevestigen in 1804, toen hij Cygnus opnieuw bezocht tijdens het samenstellen van een gedetailleerde sterrencatalogus. In de tussenliggende jaren was Piazzi bekend geworden door zijn ontdekking van Ceres, de grootste asteroïde en het eerst gevonden hemellichaam dat een baan beschrijft tussen Mars en Jupiter. Nu bevestigde zorgvuldig checken dat 61 Cygni zich langs de sterrenhemel beweegt met een verrassend grote snelheid van 4,1 boogseconde per jaar (wat gelijk is aan de breedte van de gemiddelde vollemaan per 464 jaar). Nadat de catalogus in 1806 was gepubliceerd, kreeg 61 Cygni algauw de bijnaam ‘Piazzi’s Vliegende Ster’.

Op grond van de redelijke aanname dat sterren met gelijke snelheid door de ruimte reizen, kun je de eigenbeweging goed gebruiken voor het berekenen van de waarschijnlijke afstand van de ster tot de aarde – hoe dichterbij de ster, hoe groter de hoek van zijn beweging langs de hemel in een jaar. 61 Cygni bleek de grootste eigenbeweging te hebben die tot dan toe was waargenomen en werd daarom direct herkend als een van de sterren die het dichtst bij de aarde staan. Dat maakte van hem een uitstekend doelwit voor de aanhoudende pogingen ons verschuivende kosmische punt van waarneming te meten.