Hoe bepalen astronomen de leeftijd van sterren en planeten?

Antwoord

Ik verwijs in eerste instantie naar een vraag die ik recentelijk beantwoord heb, namelijk 'Hoe oud is de zon?':

De zon is zowat 4,567 miljard jaar oud.

Hoe weten we dat?

Eigenlijk in eerste instantie via de ouderdomsbepaling van het planetenstelsel dat samen met de zon geboren is. En dan vooral door de studie van meteorieten (kleine brokstukken in dat planetenstelsel) en in het bijzonder door de studie van radioactieve elementen in die meteorieten. Die zware elementen vervallen - soms traag, soms snel - in andere, iets lichtere elementen. Met de tijd vergroot de hoeveelheid van deze laatste dus, en neemt de hoeveelheid van de eerste af. Vanuit metingen hier op aarde weten we hoe snel die processen gaan, en zo kunnen we vanuit de verhouding van de elementen afleiden wanneer de meteorieten met een normale samenstelling gevormd zijn. In dit geval zijn vooral de elementen (zoals thorium) waarbij het verval gebeurt op een tijdschaal van miljarden jaren belangrijk.

Verder weten we ook dat sterren geleidelijk aan helderder worden. Dat volgt uit de fysische modellen die we voor sterren opstellen, en uit metingen stellen we vast dat de zon inderdaad helderder is dan sterren met dezelfde massa maar die jonger zijn. Het verschil in helderheid dat we meten, klopt goed met de ouderdom die we voor de zon vinden via de meteorieten.

Nu over andere sterren

Bij andere sterren kunnen we uiteraard geen meteorieten vinden. Hoe doen we het dan?

Uit onze stermodellen, gebaseerd op fysica en getoetst aan onze waarnemingen van sterren, kunnen we vrij goed afleiden hoe oud een ster KAN worden. Merkwaardig - maar hier juist belangrijk - is dat hoe meer massa een ster heeft, hoe korter ze leeft. En de massa van sterren kunnen we - via veel tussenstappen - schatten uit de kleur die ze heeft, en die kleur kunnen we meten. We kunnen dus uit de kleur van een ster afschatten hoe lang ze kan leven, maar daarmee weten we niet hoe oud ze is, we kennen alleen een bovengrens. Maar die is al betekenisvol! Waar een ster zoals de zon een geschatte levensduur heeft van zo'n 12 miljard jaar, is dat voor een ster met tienmaal zoveel massa nog maar 20 miljoen jaar, (600 maal minder dus), en voor een ster kleiner dan de zon nog veel langer. De levensduur van een ster hangt dus heel sterk af van de massa, en zo van de kleur.

Het leuke is nu dat we aan de hemel vele zogenaamde sterrenhopen kunnen bestuderen, veel sterren bijeen, die duidelijk samen gevormd zijn, en dus even oud. In die sterrenhopen kunnen we vaststellen uit de kleuren van alle sterren vanaf welke kleur er geen meer zijn. Vanaf de massa die met die kleur overeenkomt, zijn de sterren weg; en dus is de ouderdom die daarmee overeenstemt meteen die van alle sterren in de sterrenhoop. Het is op die manier dat onze modellen, die zeiden dat een ster bij een gegeven massa met de tijd traagjes helderder wordt, zijn bevestigd.

Het betekent dus dat, als je de kleur en de helderheid van de ster goed hebt, je een afschatting kan maken van de ouderdom. De kleur is geen probleem, de helderheid wel. Want om te weten hoeveel een ster uitstraalt vanuit wat wij van hier kunnen zien, moet je weten hoe ver de ster van ons verwijderd is. Bij sterrenhopen weet je dat de sterren erin allemaal ongeveer even ver staan, maar voor een enkele ster aan de hemel is dat moeilijk. Maar met de Europese satelliet Gaia slagen we er in om voor vele sterren accurate afstanden te bepalen (hoe dat gebeurt, zou ons te ver leiden).

Vandaag gebeurt de ontwikkeling in de zin dat de beste manier om de ouderdom van sterren te bepalen, via de studie van trillingen in sterren is. We weten meer over het inwendige van de aarde door de studie van aardbevingen, want die signalen worden ook beïnvloed door hetgeen diep onder ons gebeurt. Door de trillingen van sterren te bestuderen kunnen we beter hun inwendige structuur bepalen, en dat vergelijken met onze modellen. En als het niet klopt, leert ons dat onze modellen beperkt zijn (de sterren hebben altijd gelijk), en dus ook hoe we ze kunnen verbeteren. Dit verhaal is nu bezig, en een dynamisch gebied binnen de sterrenkunde.