De zon is de meest nabije ster, maar we begrijpen er nog niet veel van
De zon is de meest nabije ster. De meest bestudeerde ook. Toch begrijpen we veel processen op de zon niet. ‘Het probleem is dat je niet dicht genoeg bij de zon kunt komen om haar exact te bestuderen.’
Wat is er met de zon aan de hand? Haar oppervlak is dit jaar uitzonderlijk rustig en ook in 2018 was er zeer weinig activiteit te bespeuren. Onderzoekers van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie Nasa verwachten dat deze trend pas in april 2020 zijn dieptepunt bereikt, maar pin hen niet vast op een maandje of zes. Zo goed begrijpt de wetenschap niet wat er op de meest nabije ster gebeurt.
Elf jaar geleden, tussen 2007 en 2009, was de zon ook bijzonder inactief. “We dachten dat ze dood was”, zegt Kees de Jager, emeritus hoogleraar sterrenkunde. “Zo lang duurde dat minimum. Maar in 2010 werd de zon toch actief en kreeg ze alsnog vlekken. Al werd de cyclus een stuk zwakker dan we in de vorige eeuw hadden gezien.”
Zonnevlekken zijn met het blote oog waarneembaar en er zijn dan ook al meldingen van die teruggaan tot de vroege oudheid. Maar pas met de uitvinding van de telescoop, aan het begin van de zeventiende eeuw, komen ze in de belangstelling van wetenschappers te staan. Al denken ontdekkers als Galilei dat het om planeetjes of wolken gaat die voor de zon langs kruipen. Pas in de negentiende eeuw wordt duidelijk dat de vlekken een fenomeen zijn van het zonsoppervlak zelf. Dat ze komen en gaan – sommige verdwijnen al na een paar dagen, een enkeling houdt het een half jaar vol.
En dat er een cyclus in zit: elke elf jaar bereikt het aantal vlekken op de zon een maximum. De hoogte van die toppen, en de diepte van de tussenliggende dalen variëren ook. Er zijn periodes geweest met heftige schommelingen, zoals in de eerste helft van de vorige eeuw. Maar ook tijdvakken met überhaupt weinig activiteit, zoals het Maunderminimum tussen 1645 en 1715. De oorzaak van deze cyclus, en de variaties daarbinnen, is onbegrepen. De Jager: “Daar komt bij dat dit niet de enige cyclus is. Er is ook een patroon dat zich om de tachtig jaar herhaalt, eentje van 210 jaar en een van 2300 jaar. Ook daarvan kennen we het mechanisme niet.”
IJstijden
Dat zijn niet louter academische kwesties. De activiteit van de zon is van grote invloed op het aardse reilen en zeilen. Allereerst op het klimaat. Een actieve zon verhoogt de temperatuur op aarde met één of twee tienden van een graad, terwijl het genoemde Maunderminimum als verklaring wordt genoemd voor de Kleine IJstijd, waarin rivieren dichtvroren en schaatsschilders furore maakten.
Ook het magneetveld van de zon varieert. Tijdens een maximum zijn er veel meer zonsuitbarstingen waarbij grote hoeveelheden geladen deeltjes worden uitgestoten. De meeste ketsen af op het magneetveld van de aarde, maar sommige dringen via de polen binnen, waar ze elektriciteitsnetwerken kunnen verwoesten en het radioverkeer enorm storen. Is de zon in rust, dan is ook haar magneetveld zwakker en kan ze kosmische deeltjes niet tegenhouden. Die vormen op hun beurt een ernstige bedreiging voor satellieten.
Veel partijen op aarde hebben er daarom belang bij dat de wetenschap zulke magnetische stormen ziet aankomen.
Zelfs op rustige dagen is de zon een kolkende en tollende massa. Een bol met een straal van 700.000 kilometer, die bijna geheel bestaat uit waterstof en helium. Door de enorme massa en zwaartekracht staat de kern onder immense druk en loopt de temperatuur er op tot 15 miljoen Kelvin (0 Kelvin = −273,15 graden Celsius), ruim voldoende om een kernfusie tot stand te brengen. De energie die daarbij vrijkomt, baant zich in de vorm van straling een weg naar buiten – stuiterend van atoom naar atoom doet die straling er honderdduizend tot tweehonderdduizend jaar over om aan het oppervlak te komen.
Niet alles draait in hetzelfde tempo
In de buitenste 200.000 kilometer hebben de atomen voldoende ruimte om in beweging te komen en ontstaan er ronddraaiende convectiestromen, als het borrelen van water dat in een pannetje op het vuur staat. Daarnaast draait de zon om haar as, maar omdat het geen vast lichaam is, draait niet alles in hetzelfde tempo. Rond de evenaar duurt een rondje 25 aardse dagen, bij de polen 36 dagen. Met al die bewegingen worden magneetvelden opgewekt, het is de combinatie van die convectiestromen met de verschillen in de rotatie die van de zon een complexe magneet maakt.
In vakblad Science stond onlangs een model dat met behulp van elektromagnetisme en vloeistofdynamica beschrijft hoe die magneet verandert. Tijdens een minimum is het overzichtelijk. Dan heeft de zon net als de aarde een polair magneetveld, met een noord- en een zuidpool. Langzaam worden de magneetlijnen, die eerst van noord naar zuid lopen, scheef getrokken. Ze gaan van oost naar west, er ontstaan lussen, aparte kringlopen. Totdat de noordpool in het zuiden is komen te liggen en de zon het volgende minimum bereikt.
Inderdaad, zegt De Jager. “We begrijpen wel dat er een cyclus is en wat de drijvende krachten zijn. Maar ik heb nog nooit een model gezien waarmee iemand verklaart waarom het telkens elf jaar zijn. Of 22 eigenlijk, dan is de noordpool terug op zijn oude stek.”
Donkere vlek
Het model maakt wel voorstelbaar hoe zonnevlekken ontstaan. “In de buitenste zone van de zon wordt de energie door convectiestromen naar buiten gebracht. Dat verklaart het helder stralende zonsoppervlak. Op sommige plaatsen is het magnetische veld zo sterk dat die stromingen worden geremd en soms zelfs tot stilstand komen. Daar komt minder energie naar buiten. Het oppervlak is daar kouder: 3000 in plaats van 6000 Kelvin. En dat zien wij als een donkere vlek.”
De energie komt veelal rond de zonnevlek naar buiten, in wat de fakkelvelden heet; het gebied waar de zonnevlammen ontstaan. Het is een onderwerp waar De Jager zijn sporen in heeft verdiend, maar voor de uitleg moet hij ver terug in de tijd, naar zijn promotie-onderzoek in de jaren vijftig van de vorige eeuw.
Uit het spectrum van het zonlicht, zeg maar de kleuren van de regenboog, leidde hij af dat de bron van sommig licht 15.000 Kelvin heet was, veel heter dus dan het oppervlak van de zon. Om dat exact te kunnen meten moest je de zon vanuit de ruimte onderzoeken. Dat onderzoek moest nog van de grond komen, maar in 1960 lukte het hem een meetinstrument met een Amerikaanse satelliet mee te krijgen. “Toen bleek dat het om röntgenstraling ging. Daar heb je geen 15.000 maar een miljoen Kelvin voor nodig.”
Kortsluiting
Twintig jaar later lukte het hem om een instrument te ontwikkelen dat de zon in detail kon bestuderen, en om dat op een Amerikaanse missie mee te krijgen. “Ik weet het nog goed. Op 30 april 1980 zagen we onze eerste vlam. We zagen een gasboog op het oppervlak verschijnen, een hoeveelheid geladen gassen die zich door het krachtige magneetveld laten voeren. Daar lopen elektrische stromen doorheen van wel 10 biljoen Ampère. Er verscheen een tweede gasboog. De twee bewogen naar elkaar toe, en ineens was er een enorme steekvlam. Een knal van jewelste van wel 70 miljoen Kelvin. En toen wist ik het: zo’n zonnevlam is gewoon kortsluiting!”
Vanwege de speciale dag kreeg de gebeurtenis een eigen naam die nu nog in de boeken voorkomt. “Het was kroningsdag. De dag dat Juliana de scepter overdroeg aan Beatrix. Zo is onze zonnevlam gaan heten: de queens flare, de koninginnenvlam.”
Hij heeft niet de indruk dat de wetenschap de laatste jaren veel nieuwe inzichten over de zon heeft opgedaan. Vorige week maakte de Nasa resultaten bekend van haar Parker Solar Probe, de sonde die anderhalf jaar geleden werd gelanceerd en een aantal keren dicht langs de zon is gescheerd. Dat wil zeggen, op 24 miljoen kilometer, dat is iets minder dan de halve afstand tussen de zon en Mercurius.
Maar het zijn nog steeds de oude vragen, zegt hij. Waarom is de corona, de atmosfeer rond de zon, zo veel heter dan de zon zelf? Hoe ontstaan zonnevlammen precies? Waarom is er een cyclus van elf jaar? “Het probleem is dat je niet dicht genoeg bij de zon kunt komen om haar exact te bestuderen. Tegelijk zien we nu al veel details. Meer dan bij andere sterren. Dat is de paradox. Je denkt dat meer waarnemingen je helpen mysteries op te lossen. In plaats daarvan krijg je zoveel details dat het lastiger wordt om ze allemaal samen te begrijpen.”
Beroemd sterrenkundige op Texel en ver daarbuiten
Vraag aan sterrenkundigen wie in Nederland bekend is met het onderzoek naar de zon en iedereen verwijst door naar Kees de Jager op Texel. Komende dinsdag is hij – 98 jaar – in Leiden één van de sprekers op het Gala van de Sterrenkunde, waar het eeuwfeest van de Internationale Astronomische Unie wordt gevierd.
De Jager is op Texel geboren, maar bracht zijn jeugd door in Nederlands-Indië. In 1939 keerde hij terug om in Utrecht natuurkunde te studeren. Hij verlegde zijn interesse naar de sterrenkunde en promoveerde in 1952 bij de befaamde hoogleraar Marcel Minnaert op een proefschrift over het spectrum van de zon. Hij werd in 1960 aan diezelfde Universiteit Utrecht benoemd tot hoogleraar stellaire astrofysica.
De Jager hield zich de eerste jaren bezig met de zon, met zonnevlammen met name. Later bestudeerde hij ook superreuzen, de tot dan grootste bekende sterren. “Toen ontdekte ik dat er nog grotere sterren bestonden. Hoe noem je die dan? Supersuperreuzen? Ik moest denken aan de Bommelverhalen, met het boevenduo Bul Super en Hiep Hieper. Dat moest het worden: hyperreuzen! Zo heten ze nog steeds.”
Geen ijstijd
Na zijn emeritaat vestigde hij zich weer op Texel en begon op het NIOZ aldaar, het Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee, de relatie tussen zonneactiviteit en klimaat te bestuderen. In 2009 vreesde hij nog dat de zon niet meer actief zou worden en er een ijstijd zou aanbreken. Daar is hij op terug gekomen. “De zon is alsnog aan een nieuwe cyclus begonnen en de temperatuur op aarde volgt haar activiteit, zij het met een vertraging van zestien jaar. En belangrijk: het effect is bij lange na niet groot genoeg om de huidige opwarming te verklaren.”
Hij heeft er met twee collega’s een boek over geschreven dat volgend jaar uitkomt en waarin ze voorspellen dat de activiteit het komend millennium heel rustig zal zijn. “Duizend jaar lang geen extreme pieken of dalen, maar juist weinig variaties tussen de cycli. Mijn mede-auteur Silvia Duhau zegt dat ze het kan bewijzen, maar ze moet het nog maar eens goed opschrijven. Eerlijk gezegd druist het tegen mijn gevoel in dat je dit kunt weten.”
Het gesprek zou gaan over zonnevlekken, over de moeite die het de wetenschap kost om te begrijpen wat er gebeurt op de ster die slechts op een paar minuten lichtafstand verwijderd staat. Maar om de haverklap wijkt hij van dit pad af en dist verhalen op uit zijn rijke leven. Hoe hij in de oorlog met een medestudent was ondergedoken in een stoffig kamertje op de Utrechtse Sterrenwacht. Hoe zijn vader zijn keuze voor een natuurkundestudie afkeurde omdat daar toch geen geld in te verdienen was. En hoe hij na zijn studie een baantje bij zijn hoogleraar Minnaert kreeg aangeboden. Om niet. “Ach jongen, zei Minnaert tegen mij. Het gaat in het leven toch niet om het geld!”
Terug op Texel
Het werd zijn levensmotto. Toen hij een paar jaar later in Leiden een betaald assistentschap in de fysica kreeg aangeboden, ging hij er gretig op in, maar hij behield zijn onbetaalde baantje bij de Utrechtse sterrenkunde. “Overdag ging ik in Leiden aan de slag. At daarna snel thuis een boterham om vervolgens tot twee uur ’s nachts op de Utrechtse Sterrenwacht te werken. Die dubbele baan heb ik een paar jaar volgehouden.”
Na alle omzwervingen is hij terug in zijn geboortedorp Den Burg. “De verhuizing was enigszins gedwongen door omstandigheden. Ik was wat blij dat ik dat baantje op het NIOZ aangeboden kreeg. En ik voelde me helemaal thuis toen een eilander mij vroeg of het waar was dat die beroemde sterrenkundige op Texel kwam wonen. ‘Hij woont er al’, antwoordde ik in onvervalst Texels dialect.”
Lees ook
Hoe de Parker Solar Probe langs de zon zal scheren
Ruimtesonde moet raadsels van de zon oplossen