Reuzensterren, honderd keer zo groot als de zon, vormen een sterrenkundig raadsel. In theorie zouden ze niet kunnen bestaan. Uit onderzoek blijkt nu hoe zo'n megaster toch kan blijven groeien.

Op een heldere, ijskoude winternacht is het prachtig om ver weg van alle lichtvervuiling te vluchten en naar de hemel te kijken. Een klein beetje maanlicht verlicht de sneeuw op de weilanden en ontelbare sterren schitteren in het donkere niets. En dan te bedenken dat de kleinste puntjes wel honderd keer groter dan de zon kunnen zijn.

Mark Krumholz en collega’s van de Universiteit van Californië doen onderzoek naar het ontstaan van deze reuzen. Hoe sterren zo groot kunnen worden is namelijk een sterrenkundig raadsel. Volgens de gangbare theorie zouden ze maar ongeveer twintig keer zo groot (twintig zonsmassa) als de zon kunnen worden.

Bij de groei van sterren spelen twee tegengestelde krachten een rol: de zwaartekracht, die de ster bij elkaar houdt en kosmisch gas aantrekt, en de zogeheten stralingsdruk. Deze druk, die van binnenuit de ster naar buiten gericht is, stoot het gas waaruit sterren groeien van juist af en wordt sterker naarmate de ster groeit. Deze krachten zijn in balans bij een ster die twintig keer zo groot is als de zon.

Bij een grotere ster stoot de stralingsdruk met grotere kracht gas af, dan dat de zwaartekracht het gas naar de ster toetrekt. Sterren van honderd zonnemassa vormen zijn deze theorie dus onmogelijk. Kosmisch gas zou door de straling geen kans hebben om in de buurt van de ster te komen. Hoe kan het dan dat deze reuzen wel bestaan?

Om hier achter te komen hebben Krumholz en collega’s een driedimensionaal simulatiemodel gemaakt, dat rekening houdt met de verschillende krachten en eigenschappen van het gas en de straling. Het kostte een supercomputer maanden om alle berekeningen voor het model te doen. De resultaten verschijnen deze week in het blad Science.

De simulatie begon met een gaswolk zo groot als honderd keer de zon. Deze trok onder zijn eigen zwaartekracht samen en na 3600 simulatiejaren was een ster geboren. Het kosmisch gas werd geleidelijk in de ster opgezogen en in de volgende 17.000 jaar groeide de ster uit tot een grootte van elf keer de zon. Na 25.000 jaar werd de ster, toen zeventien keer gtoter dan de zon, instabiel, en stootte hij ook gas uit.

Maar toch bleef de ster groeien. De ster bleef, ondanks de straling, toch kosmisch gas aantrekken. Ook eerder uitgestoten gasbubbels werden bij botsingen weer in de ster opgenomen.

De verklaring is volgens de onderzoekers dat de wegduwende straling en de aantrekkende zwaartekracht langs elkaar heen werken. Dit is een effect dat bekend staat als de Rayleigh-Taylor instabiliteit en is ook te zien bij olie en water. Als water op olie gegoten wordt, zullen de stoffen niet mengen en zal het water altijd naar onder zakken.

Bij de sterren is het gas dan het water dat door middel van zwaartekracht zijn weg tussen de straling door naar de ster vindt. Op deze manier kan er dus gas bij de ster blijven komen en kan hij - ondanks de straling die afstoot - blijven groeien. Zo is er dankzij een computermodel weer een theoretisch mysterie opgehelderd.

Ook stuitten de onderzoekers tijdens de simulatie op een verrassing. Na 35.000 simulatiejaren gebeurde er iets onverwachts. Een paar gasbubbels botsten met elkaar en er ontstond een tweede ster die zo groot was, dat hij niet meer geabsorbeerd kon worden door de eerste. Deze toevalligheid kwam mooi uit. Megasterren komen namelijk vaak in groepen voor en hoe dit kan gebeuren heeft de simulatie voor ze beantwoord.

De twee sterren groeiden samen door. De stralingskracht bleek niet genoeg om het aantrekken van kosmisch gas te stoppen en na 57.000 simulatiejaren was de eerste ster 41,5 en de tweede 29,2 zonnemassa. Aangezien het geld voor het gebruik van de supercomputer op was en er geen grote veranderingen meer waargenomen, werd de simulatie gestopt.

De onderzoekers zijn uiterst tevreden met het resultaat en verheugen zich al op nog snellere computers in de toekomst, waarmee ze nog veel meer simulaties kunnen doen.

Johan Schaeffer

Mark R. Krumholz et al., ‘The Formation of Massive Star Systems by Accretion’, in: Sciencexpress, 15 januari 2009, 10.1126/science.1165857