2015-03 MIRA Ceti sprak met... Ilse De Looze


Vanaf ons veilige knusse hoekje in het zonnestelsel, in een rustig gebied van ons reusachtige Melkwegstelsel, kijken mensen vol verwondering naar de ons omringende sterrenhemel. Sinds het begin van het telescopentijdperk in de 17de eeuw is ons beeld van het universum danig veranderd, maar een nieuwe revolutie wat betreft onze kijk op het heelal brak aan toen het ruimtevaarttijdperk van start ging. Dankzij observatoria in de ruimte kregen astronomen zicht op het volledige lichtspectrum, van duizenden kilometerslange radiogolven tot gammastraling met golflengten van minder dan een biljoenste meter. Zodoende werden objecten waarneembaar die voordien onbekend of onontdekt waren.

Een belangrijke speler in die ontdekkingstocht is de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. MIRA Ceti trok naar de universiteit in Gent om te spreken met een jonge astronome, Ilse de Looze (°1986), die onderzoek doet naar het interstellaire medium, waar veel gas en stof te vinden is. Dit materiaal is belangrijk met het oog op de vorming van nieuwe sterren, en dankzij de infrarood-ruimtetelescoop Herschel beschikken we over voldoende data om het aanwezige gas en stof tussen de sterren in kaart te brengen.

Ilse is verbonden aan de Vakgroep Fysica en Sterrenkunde van de Universiteit Gent, maar werkt momenteel als postdoc aan de gerenommeerde universiteit van Cambridge – waar in de 17de eeuw ook ene Isaac Newton actief was…

 

Ilse De LoozeOp een mooie lentedag in het jaar 2009 werd de Europese ruimtetelescoop Herschel gelanceerd. Die lancering, Ilse, heb jij met meer dan gewone belangstelling gevolgd?

 

Dat klopt. Na mijn masteropleiding kon ik in 2009 aan een doctoraat beginnen en zo voor een periode van drie jaar verder blijven werken aan de Gentse vakgroep sterrenkunde. De fondsen die de universiteit daarvoor kreeg hadden te maken met het feit dat ons land had meegeholpen aan de bouw van een bepaald instrument aan boord van Herschel, het was dus niet alleen voor de wetenschappelijke wereld maar ook voor mij persoonlijk van belang dat de lancering succesvol zou verlopen. Ik herinner me nog zeer goed dat we hier met onze hele groep van de sterrenkunde samen in een klaslokaal zaten om samen op groot scherm de lancering van de Ariane 5-raket live te volgen. Het was half mei, ik was toen nog masterthesisstudent. Na afloop waren we allen heel enthousiast dat het hele gebeuren daar in Frans-Guyana vlot verlopen was en dat zowel de Planck-satelliet als de Herschel-ruimtetelescoop kort nadien met hun waarnemingen vanuit de ruimte konden beginnen. Die twee tuigen waren immers met dezelfde raket gelanceerd.

Het was dus zeker het ideale moment om aan mijn doctoraat te beginnen, want de waarnemingen met behulp van Herschel zorgden voor een massa data die dienden verwerkt te worden. Herschel was trouwens een heel succesvol project dat zoals gepland in 2013 beëindigd werd. De ruimtetelescoop was uitgerust met een enkelvoudige spiegel van 3,5 m diameter, wat hem maakte tot de grootste infraroodtelescoop die ooit gelanceerd werd. Met behulp van hoogtechnologische instrumenten aan boord kreeg men zo zicht op het ver-infrarode en submillimeter deel van het elektromagnetische spectrum. Daartoe diende men de instrumenten van Herschel te koelen tot -271 graden Celsius om te beletten dat hun warmte zelf infrarode straling zou afgeven, hetgeen de waarnemingen in hoge mate zou verstoren. Bovendien moest het ruimtetuig in een stabiele baan geparkeerd worden, het zogenaamde Lagrangepunt L2, waar het zich in een evenwichtstoestand bevond ten opzichte van de aantrekkingskracht van Zon en Aarde. Best een hele klus om dat allemaal voor mekaar te krijgen, maar de inspanningen loonden, want dankzij deze ruimtetelescoop werd het mogelijk om de meest koele en stofrijke objecten in het heelal waar te nemen, opeens kregen we een inkijk in grote gas- en stofwolken waar sterren gevormd worden. Met de Hubble-ruimtetelescoop was zoiets onmogelijk. En zo was het voor mij en mijn collega’s die ook op de data van Herschel werkten heel boeiend om onderzoek te kunnen doen naar gas en stof in het interstellaire medium in een golflengtegebied dat nooit eerder in kaart was gebracht. Op kortere golflengten in het nabij-infrarood was het iets warmere stof en gas al wel waargenomen, maar nu kregen we dankzij Herschel ook zicht op het koudere stof en gas tussen de sterren.

 

Herschel was wel niet de eerste infrarood-ruimtetelescoop?

 

Neen, je had in de jaren 1980 al IRAS gehad, een Amerikaans-Nederlands-Brits samenwerkingsproject, en in de jaren 1990 was er ISO van de ESA waar ook Japan en de VS bij betrokken waren. En voor deze eeuw moeten we zeker ook de Spitzer Space Telescope van de NASA vermelden en de Japanse Akari. In vergelijking met de 3,5 m spiegelopening van Herschel waren alle voorgangers eerder bescheiden instrumenten, maar toch hebben ze alle bijgedragen tot een beter begrip van het infrarode universum.

 

Ook de Hubble-ruimtetelescoop kan een klein beetje van het infrarode spectrum waarnemen, maar die beelden zijn niet geschikt voor wat jij en je collega’s onderzoeken?

 

Dat nabij-infrarood is voor ons niet bruikbaar, maar de opvolger van Hubble zou wel nuttig voor ons kunnen zijn. Als alles volgens plan loopt zal in oktober 2018 de James Webb Space Telescope gelanceerd worden, die zal over een gesegmenteerde spiegel van 6,5 m diameter beschikken en waarnemingen tot in het midden-infrarood mogelijk maken. Met de JWST zullen we dus nog oudere sterren kunnen waarnemen in de beginperiode van het heelal, we zullen er de langere golflengten van het sterlicht en de kortere golflengten van het stof mee kunnen detecteren en zo moleculaire wolken en stervormingsgebieden te zien krijgen waarbij het mogelijk wordt om stofschijven rond sterren te bestuderen.

 

Dat klinkt veelbelovend, maar het is nog wel even wachten tot het project van start gaat. Intussen hebben we in Chili al wel het prachtige ALMA-complex.

 

ALMA heeft door de grote hoogte waarop het observatorium is gebouwd niet zoveel last van het water en de zuurstof in de aardatmosfeer en kan door de gecombineerde kracht van de zesenzestig schotelantennes een enorm hoge resolutie bereiken, maar het is toch vooral een instrument om waarnemingen te doen op langere golflengten, het zogenaamde submillimetergebied tot een tiental millimeter. Door het feit dat je zo een goede resolutie hebt, zijn vooral de waarnemingen op hoge roodverschuiving – dus heel ver verwijderde objecten – het doelwit van ALMA. Het probleem met het nabije universum voor ALMA is dat je door de hoge resolutie telkens maar een heel klein stukje van een nabijgelegen sterrenstelsel in beeld kan brengen. Maar op hoge roodverschuiving kan dan weer wel in detail waargenomen worden hoe stervorming plaatsvindt en hoe de distributie is van het gas is in die verafgelegen sterrenstelsels. Als we met ALMA veel dichterbij naar de overblijfselen van een supernova kijken, krijgen we mooi te zien waar al het weggeblazen stof rondom de ontplofte ster zich bevindt. En dat is eigenlijk wel belangrijke informatie die we op die manier kunnen achterhalen, want er zijn maar twee bronnen waar het interstellaire stof zijn oorsprong kan vinden. Langs de ene kant heb je geëvolueerde sterren die in hun rode reuzenfase enorm expanderen. Hun buitenste gaslagen worden op het einde door krachtige stellaire winden weggeblazen, en zo komen er grote massa’s gas en stof in de ruimte tussen de sterren terecht. Anderzijds heb je supernova-uitbarstingen, waarbij het gas en stof met nog veel meer kracht van bij de ontplofte ster in het interstellaire medium wordt weggestoten.

Dit zijn de twee voornaamste productiemechanismen van stof in sterrenstelsels, maar we hebben momenteel onvoldoende inzicht om precies te weten hoe efficiënt dat gebeurt. En in dit verband is ALMA al heel nuttig geweest, zo hebben we bv. kunnen waarnemen dat er heel veel koud stof vanuit zo een supernovaoverblijfsel in het interstellaire medium terechtkomt. Of er zijn met ALMA beelden gemaakt waarop rond een jonge ster duidelijk een begin van planeetvorming te zien is. Zoiets is echt wel ‘hot news’ in het hedendaagse sterrenkundig onderzoek.

 

Zou donkere materie een rol kunnen spelen bij het gedrag van stof tussen de sterren en bij de vorming van planeten?

 

Zelf doe ik geen onderzoek naar planetaire schijven, maar op dergelijke kleine schaal brengt men de donkere materie niet echt in rekening. Ze speelt vooral een rol op het vlak van de algemene structuurvorming van het heelal en bij de vorming van sterrenstelsels. Na de Big Bang was het heelal een redelijk uniform medium, door de zwaartekracht zijn kleine fluctuaties in dat medium beginnen samenklonteren, en als er dan uiteindelijk genoeg gas voorhanden was, zijn de eerste sterren en sterrenstelsels kunnen ontstaan. In die context is donkere materie zeker een belangrijke factor, maar zoals je weet is over het hoe en wat van donkere materie momenteel nog veel niet geweten in de sterrenkunde.

 

Aan jullie Vakgroep Sterrenkunde werd een softwarepakket ontwikkeld waarmee het mogelijk wordt om het stof tussen de sterren en in accretieschijven, d.w.z. de stof- en gasschijven rond jonge of oude sterren, in detail te bestuderen?

 

Inderdaad, die software heet SKIRT, het is een code die professor Maarten Baas ergens begin jaren 2000 ontwikkeld heeft. SKIRT is software die door sterrenkundigen vrij mag gebruikt worden en die ook constant evolueert en op die manier altijd maar performanter en veelzijdiger wordt. De software had aanvankelijk tot doel om de kinematica van sterren te bestuderen, en is geleidelijk geëvolueerd tot een stralingsoverdrachtcode waarmee het mogelijk wordt om de verstrooiing, absorptie en emissie van sterlicht door stofdeeltjes te simuleren en te vergelijken met reële waarnemingen. Het is een driedimensionale code die dus de interactie tussen sterlicht en stof volledig simuleert. We hebben zicht op de toestand in ons eigen sterrenstelsel, maar we willen dat vergelijken met wat er plaatsvindt in andere sterrenstelsels. Als we kijken naar extinctiecurves bij verschillende sterrenstelsels – een model dat weergeeft hoeveel sterlicht het stof op elke golflengte gaat absorberen, zien we curven met heel verschillende vormen, en dat wijst erop dat stof zich in verschillende sterrenstelsels heel anders gedraagt en ook evolueert.

Het belang van dit soort onderzoek ligt erin dat als je naar het universum kijkt, ongeveer de helft van al het sterlicht eerst door stof geabsorbeerd wordt en vervolgens opnieuw wordt uitgezonden. En dat is vooral het geval bij jonge sterren. Die worden in stervormingswolken geboren, en tijdens de eerste tien miljoen jaar van hun bestaan blijven ze grotendeels verborgen omwille van die omhullende wolk van gas en stof, en dus kunnen we vanop Aarde hun sterlicht niet rechtstreeks waarnemen. De enige manier om meer over de aard van die verborgen sterren te weten te komen is om bepaalde eigenschappen voor het omringende stof te veronderstellen. Als we erin slagen de emissiestraling van het stof waar te nemen, kunnen we zo achterhalen welke soorten sterren en hoeveel sterren er eigenlijk in die wolk van stof verborgen zitten. En dat is niet alleen interessant voor sterren in het nabije universum, maar zeker ook op hoge roodverschuiving en dus op zeer grote afstanden is het belangrijk om te weten hoeveel sterren er gevormd worden, dit om ons een adequaat beeld te kunnen vormen over de vorming en de evolutie van de eerste generaties sterrenstelsels. En dankzij die speciale software die we op ons instituut gebruiken kunnen we via het simuleren in drie dimensies echt heel realistisch de distributie en dichtheid van het aanwezige stof in sterrenstelsels in rekening brengen. Het geeft ons een idee hoe klonterig het stof aanwezig is, of dat het gaat om een meer uniforme verdeling of eerder een soort spiraalstructuur, en dergelijke meer.

 

Momenteel werk jij als postdoc-onderzoekster aan het befaamde Institute of Astronomy van de universiteit van Cambridge. Dat lijkt me echt een unieke omgeving om aan sterrenkunde te doen?

 

Dat mag je zeker wel zeggen. Het instituut staat niet alleen mee aan de top van de hedendaagse sterrenkunde, maar er is natuurlijk ook de traditie, je voelt aan zovele dingen de grandeur van het verleden. Er zijn zovele grote namen die er gewerkt hebben, denk maar aan Arthur Eddington en Fred Hoyle. Momenteel kan je er bv. Martin Rees of Donald Lynden-Bell tegen het lijf lopen.

Sommige proffen met naam en faam hebben de pensioengerechtigde leeftijd al bereikt, maar blijven actief bezig met hun werk en zijn dagelijks op het instituut te vinden. En wie universiteit van Cambridge zegt, denkt waarschijnlijk ook meteen aan Isaac Newton en Stephen Hawking, die twee namen zullen de lezers van jullie tijdschrift zeker niet onbekend zijn.

 

Hoe ben je van Gent in Cambridge terechtgekomen?

 

Na mijn doctoraat heb ik bij het Fonds Wetenschappelijk Onderzoek een beurs aangevraagd voor een postdoc, daar is positief gevolg aan gegeven, en daarvan zit ik nu in mijn derde en laatste jaar. Voor zo een postdoc sporen ze je als jonge onderzoeker aan om ook ervaring op te doen in het buitenland, en zo heb ik gekozen om naar Cambridge te gaan. Het trok mij aan omdat het sterrenkundig instituut van Cambridge veel troeven heeft: ik kon er samenwerken met een voor mij totaal nieuwe onderzoeksgroep die bezig was met hetzelfde studiedomein als waar ik me de voorbije jaren had op toegelegd, en bovendien kon ik er in contact komen met sterrenkundigen die bezig zijn met heel ander onderzoek, en op die manier leer je ook bij over andere gebieden binnen de sterrenkunde.

 

Maakt men in Cambridge ook gebruik van SKIRT?

 

Inderdaad, we zijn de stralingsoverdrachtcode aan het toepassen op een bepaalde set van sterrenstelsels via een project dat zij gebruiken om aan de nodige waarnemingsdata te komen. Het gaat om de Amerikaanse satelliet Swift die waarnemingen kan doen met een zeer breed bereik: van gammastraling tot zichtbaar licht. We proberen de verkregen data zodanig te reduceren en te analyseren dat het mogelijk wordt om de eigenschappen van het stof te achterhalen, dit op basis van een welbepaalde absorptielijn van een bepaald soort stofdeeltje dat we kunnen traceren in die data. En uiteindelijk is het de bedoeling dat we met behulp van de stralingsoverdrachtcode tot een vergelijkbaar resultaat komen. Zo combineren we beide methoden.

Zoals al eerder gezegd: we kunnen het stof rondom en tussen de sterren op twee manieren bestuderen. We kunnen enerzijds kijken naar het effect dat het stof heeft op het sterlicht, m.a.w. hoeveel sterlicht het wegneemt of absorbeert, en op basis daarvan krijgen we een idee over onder andere de distributie en de samenstelling van het stof. Anderzijds kunnen we kijken naar de straling die we van het stof waarnemen, de emissie, en op basis daarvan een model maken over de hoeveelheid stof die er aanwezig is en de temperatuur ervan. En uiteindelijk proberen we beide werkwijzen te combineren. Als we zien dat een bepaalde hoeveelheid sterlicht door stof geabsorbeerd werd, kunnen we berekenen welke massa aan stofdeeltjes daarvoor vereist is in het sterrenstelsel in kwestie. Vervolgens kunnen we ook perfect voorspellen hoeveel straling we van die hoeveelheid stof mogen verwachten, en dan zou je verwachten dat beide resultaten overeenkomen. Wat niet altijd het geval is. En dus weten we dat de actuele modellen die we gebruiken om stof te begrijpen in sterrenstelsels niet accuraat genoeg zijn. Soms zijn we uitgegaan van een te uniforme verdeling van het stof en is er in werkelijkheid meer klontering aan de gang of is de stofsamenstelling niet correct. En op dat vlak is SKIRT echt wel een prachtig werkinstrument omdat we met alle parameters kunnen spelen bij verschillende golflengten om uiteindelijk te komen tot een simulatie die wel overeenkomt met de waarnemingen.

 

Mocht William Herschel, de ontdekker van het infrarode licht, dit allemaal geweten hebben!

 

Voor het ruimtevaarttijdperk was onze kennis over het infrarode universum quasi nihil. Als je dan inderdaad ziet wat we op dat vlak binnen het bestek van slechts enkele decennia aan kennis hebben weten te vergaren, dat is enorm. Het was alleszins een mooi eerbetoon van de ESA aan William Herschel om precies die kanjer van een infrarood-ruimtetelescoop naar hem te vernoemen. Dankzij de Herscheltelescoop krijgen we te zien hoe gas en stof zich in een sterrenstelsel manifesteren onder de vorm van klonterige filamentstructuren. Met beelden in hoge resolutie krijgen we zicht op hoe de stofsamenstelling verandert van de ene regio tot de andere. Zo zien we dat stofdeeltjes in dichtere moleculaire gaswolken groter zijn, wat erop wijst dat de kleinere stofdeeltjes daar kunnen samenklonteren tot grotere stofdeeltjes. Aan de andere kant kunnen we in sterrenstelsels waar zich een supernova-uitbarsting heeft voorgedaan ook observeren dat door de extreme kracht van de explosie lokaal een deel van het stof vernietigd wordt, dat grotere deeltjes uiteenvallen in kleinere deeltjes en dat ook de compositie van de deeltjes zal veranderen.

 

Zo zal de distributie van stofdeeltjes het mee mogelijk maken om de schokgolven ten gevolge van de supernova te visualiseren?

 

Ja, men krijgt een duidelijke afscheiding te zien van de soorten stofdeeltjes. Meestal krijg je rondom een supernova een mooie schilstructuur te zien die steeds verder uitdijt, maar hoe de vorm precies evolueert, hangt af van de dichtheid van het gas en stof rondom de ster die juist is ontploft. De uitbarsting zal zich het gemakkelijkst voortplanten in een meer diffuus medium, dus kan het zijn dat ze zich beter in een bepaalde richting uitbreidt dan in een andere richting.

 

Zorgt de aanwezigheid van stof niet voor een vertekend beeld van het waargenomen universum, aangezien een niet onaanzienlijk deel van het sterlicht erdoor geabsorbeerd wordt?

 

Dat is zeker een factor om terdege rekening mee te houden bij hoge roodverschuiving, als we de stervormingsgeschiedenis vanaf het vroege heelal in kaart willen brengen. Om te kunnen schatten hoeveel sterren er toen gevormd werden, is het belangrijk of zelfs essentieel te weten hoeveel stof er toen aanwezig was. We beschikken over degelijke modellen in verband met de vorming van sterrenstelsels. Maar als die een foute inschatting maken van hoeveel jonge sterren er daarbij voorhanden waren en niet uitgaan van de juiste hoeveelheden aanwezig stof, zou men verkeerdelijk kunnen stellen dat een bepaald sterrenstelsel twee keer zoveel sterren aanmaakt dan het in werkelijkheid doet.

Nog een belangrijk aspect is het gegeven dat stofdeeltjes ook een grote invloed hebben bij het opwarmen van gas in sterrenstelsels. Gas vindt je in atomaire toestand, maar ook samengevoegd tot moleculen. Aangezien het moleculaire gas tot hogere dichtheid samengedrukt kan worden, is het in dit gas dat sterren gaan vormen. En het is precies aan het oppervlak van stofdeeltjes dat die moleculaire waterstof het makkelijkst gevormd wordt.

 

Heeft het stof ook een vertragende invloed op het draaimoment van die bewegende massa’s gas en stof waaruit zich uiteindelijk sterren en sterrenstelsels zullen vormen?

 

Daarvoor is toch vooral het gas verantwoordelijk. Als we de samenstelling van het interstellair medium bekijken, zien we dat stof staat voor amper één procent, terwijl gas goed is voor de overige negenennegentig procent. Dus voor dat impulsmoment zal vooral het gas van belang zijn, terwijl het stof veeleer de beweging van het gas zal dienen te ondergaan.

 

Welke nieuwe inzichten binnen jouw onderzoeksdomein mogen we in de nabije toekomst verwachten?

 

Het was vooral in ons eigen melkwegstelsel dat we het stof konden bestuderen, dat gaat nu meer en meer uitgebreid worden naar andere sterrenstelsels, en dus zullen we kunnen vergelijken en zo meer inzicht krijgen in de evolutie en de verspreiding van stof in sterrenstelsels.

Via het project Gaia zullen we een driedimensionale dynamische kaart van onze Melkweg bekomen. Gaia zal immers in de loop van vijf jaar bijna elke ster uit ons sterrenstelsel ongeveer zeventig keer waarnemen, en zo kunnen we de sterren als het ware zien bewegen en krijgen we een idee over hoe ons eigen stelsel doorheen de jaren evolueert, wat er ook zal toe bijdragen dat we meer inzicht krijgen over het ontstaan en de evolutie van andere sterrenstelsels. We staan nu nog aan het begin van het begrijpen van die dingen, maar met ALMA kunnen we inmiddels objecten op hoge roodverschuiving gedetailleerd in beeld brengen. Vroeger ging het om slechts een puntbron, met ALMA kunnen we meteen de hele schijf zien waarbij ook structuur en de rotatie van het gas kan waargenomen worden. We zullen dus veel beter begrijpen met welk soort sterrenstelsel we te maken hebben en hoe de stervorming er plaatsvindt. En dan zullen we kunnen vergelijken met de dingen die we waarnemen in ons eigen nabije universum om te vergelijken of die structuren gelijkaardig zijn en de evolutiegelijkaardig verloopt. We zullen hopelijk ook kunnen terugkijken naar de allereerste sterrenstelsels om te ontdekken hoe die waren.

 

Jij bent zelf ook al in Chili geweest, Ilse, in het kader van je onderzoek naar interstellair stof?

 

Ja, dat was in mei 2014. We zijn waarnemingen gaan doen met de APEX-telescoop, die staat op hetzelfde plateau als de radioschotels van ALMA. APEX staat voor Atacama Pathfinder EXperiment. Het is eigenlijk één enkele antenne die een prototype was voor het ALMA-project, maar aangepast werd voor het bestuderen van koud gas en stof in onze Melkweg en ook in verre sterrenstelsels. Dat was een heel boeiende belevenis, maar het is zeker niet evident om daar op die grote hoogte van meer dan vijfduizend meter te vertoeven. De mensen die daar permanent werken hebben het echt wel zwaar, je ziet trouwens aan hun uiterlijk dat ze verweerd zijn door weer en wind. Toen wij er waren was het er erg koud met overdag zandstormen en ’s avonds sneeuwstormen, dus verre van herbergzaam. En bovendien heb je er voortdurend een tekort aan zuurstof. Dan is het een stuk comfortabeler in het bezoekerscentrum dat op 2.900 meter hoogte ligt en van waaruit je als astronoom je waarnemingen kan doen zonder dat je ’s nachts die gevaarlijke trip naar boven moet doen.

 

Zie jij een mogelijkheid om in de sterrenkunde actief te blijven?

 

Dat zou ik wel fijn vinden, maar het hangt af van een aantal factoren. Als mijn termijn in Cambridge erop zit, zou het kunnen dat mijn FWO-contract voor opnieuw drie jaar wordt verlengd, dan zou ik volgend academiejaar terug naar Gent komen. Ik heb ook een aantal aanvragen lopen in Engeland zelf om daar aan de slag te kunnen blijven, dat is dus ook een mogelijkheid. Ergens een vaste plaats krijgen is zeker niet evident, vaak gaat het om eerder korte projecten waarbij je van het ene buitenlandse instituut naar het andere reist, en dat is niet altijd gemakkelijk te combineren met een gezinsleven. Het blijft dus afwachten, je hebt de nodige dosis geluk nodig en de juiste persoon op de juiste plaats tegenkomen op het juiste moment is ook belangrijk.

 

We wensen jou daar alleszins veel geluk bij, Ilse, en hartelijke dank voor het boeiende gesprek.