Maunder Minimum

Was 17e eeuwse zonneschijn een zeldzaamheid?

Door Robert Sanders

BERKELEY ? Een mysterieuze 17e-eeuwse zonneschijn die door sommigen in verband wordt gebracht met de Kleine IJstijd in Europa en met wereldwijde klimaatveranderingen, wordt nog raadselachtiger als gevolg van nieuwe waarnemingen door astronomen van de Universiteit van Californië, Berkeley.

Voor 70 jaar, van 1645 tot 1714, rapporteerden vroege astronomen bijna geen zonnevlekkenactiviteit. Het aantal zonnevlekken – koelere gebieden op de zon die donker lijken tegen de heldere omgeving – daalde volgens sommige schattingen met het duizendvoudige. Hoewel de activiteit op de zon tegenwoordig in een 11-jarige cyclus af- en aanzwelt, is het sindsdien niet meer zo stil geweest.

Sinds 1976, toen erop werd gewezen dat deze langdurige periode van geringe zonnevlekkenactiviteit, het zogenaamde Maunder minimum, samenviel met het koudste deel van de Kleine IJstijd in Europa en Noord-Amerika, hebben astronomen nabije zonachtige sterren afgezocht naar voorbeelden van stellaire minima. Zij hoopten vast te stellen hoe vaak dergelijke minima voorkomen en het volgende zonneminimum te voorspellen – en misschien de volgende periode van wereldwijde afkoeling.

Nu doen gegevens van een groep UC Berkeley-astronomen twijfel rijzen over de honderden sterren waarvan men dacht dat ze voorbeelden waren van stellaire minima die analoog zijn aan de stille periode die de zon 300 jaar geleden doormaakte.

Op een poster die maandag 31 mei wordt gepresenteerd op de bijeenkomst van de American Astronomical Society in Denver, toont afgestudeerd student Jason Wright van UC Berkeley aan dat bijna alle zogenaamde zonachtige sterren die minimale activiteit vertonen, in feite veel helderder zijn dan en aanzienlijk verschillen van de zon en daarom geen voorbeelden zijn van Maunder-minima. De bevindingen werpen vraagtekens op bij alle studies die deze sterren gebruiken om conclusies te trekken over de activiteit van de zon zelf en toekomstige minima, aldus Wright.

“Sterrenonderzoeken vinden meestal dat 10 tot 15 procent van alle zonachtige sterren zich in een inactieve toestand zoals het Maunder-minimum bevindt, wat erop zou wijzen dat de zon ongeveer 10 procent van haar tijd in deze toestand doorbrengt,” zei Wright. “Maar onze studie toont aan dat de overgrote meerderheid van de sterren die als Maunder-minimumsterren zijn geïdentificeerd zich ver boven de hoofdreeks bevinden, wat betekent dat ze helemaal niet zonachtig zijn, maar ofwel geëvolueerde sterren zijn of sterren die rijk zijn aan metalen zoals ijzer en nikkel. Tot nu toe hebben we geen enkele ster gevonden die ondubbelzinnig een Maunder-minimumster is.”

“We dachten dat we wisten hoe we Maunder-minimumsterren konden detecteren, maar dat is niet zo,” zei hij.

De hoofdreeks is een gebied waar normale, constant brandende sterren clusteren wanneer ze worden uitgezet op een grafiek van kleur versus helderheid. Naarmate sterren ouder worden, worden ze echter roder en helderder – en worden zogeheten subreuzen – en stijgen ze op van de hoofdreeks. De zon staat al zo’n 5 miljard jaar op de hoofdreeks, vanaf het moment dat hij tot rust kwam na de ontbranding van de waterstoffusie in zijn kern, en zal daar nog 5 miljard jaar blijven tot hij begint op te zwellen en een subreus wordt.

“Feit is dat we nog steeds niet begrijpen wat er in onze zon gebeurt, hoe magnetische velden de 11-jarige zonnecyclus genereren, of wat de oorzaak was van het magnetische Maunder-minimum,” zei Wrights adviseur, Geoffrey Marcy, hoogleraar astronomie aan de UC Berkeley. “In het bijzonder weten we niet hoe vaak een zonachtige ster in een Maunder minimum valt, of wanneer het volgende minimum zal optreden. Het zou morgen kunnen zijn.”

De daling van de zonneactiviteit aan het eind van de 17e en het begin van de 18e eeuw werd in 1893 onder de aandacht van de wereld gebracht door de Engelse astronoom Edward Walter Maunder, die in dezelfde periode ook een dip opmerkte in de intensiteit en de frequentie van het noorderlicht, dat wordt veroorzaakt door stormen op de zon. In 1976 herzag de astronoom John Eddy verschillende bewijzen voor het Maunder minimum en concludeerde niet alleen dat het echt was, maar haalde ook een artikel uit 1961 aan waarin het minimum in verband werd gebracht met een gelijktijdige periode van afkoeling in heel Europa, wellicht ten gevolge van een verminderde energie-output van de zon. De zon, en sterren zoals de zon, zijn zwakker wanneer ze inactief zijn.

Het idee van een Maunder minimum is echter controversieel, omdat niemand echt weet hoe nauwkeurig men de zon observeerde in het midden van de 16e eeuw, slechts 40 jaar na de uitvinding van de telescoop. Er zijn geen gegevens bekend over de zonneactiviteit vóór het Maunder minimum, hoewel een toename van de activiteit het einde daarvan aangaf in 1714.

Onzekerheid bestaat er ook over de oorzaak van de Kleine IJstijd, die rond 1300 na Christus begon en enkele honderden jaren duurde. De kleine ijstijd, die werd gekenmerkt door kouder dan normale winters en koele zomers op het gehele noordelijk halfrond, kan zijn veroorzaakt door broeikasgassen en deeltjes die door vulkanen in de atmosfeer werden gespuwd, of door schommelingen in het vermogen van de zon.

Veel klimaatdeskundigen nemen het Maunder minimum echter serieus, en astronomen hebben een lange lijst van sterren samengesteld die dezelfde dip in activiteit zouden vertonen, zoals blijkt uit de verminderde uitstoot van het element calcium in de atmosfeer van de ster. Zonneactiviteit wordt gekenmerkt door sterke magnetische velden die de bovenste atmosfeer van de zon, of chromosfeer, opwarmen tot zo’n 8.000 tot 10.000 graden Kelvin, waardoor calcium blauw licht gaat uitzenden.

De vraag, zei Wright, is of de oorzaak van de verminderde calciumemissie een stellair Maunder minimum is of iets anders, zoals leeftijd – sterren draaien langzamer naarmate ze ouder worden, verliezen hun magnetische dynamo en produceren niet langer magnetische velden of vlekken – of een hoog metaalgehalte. “We hebben nu ontdekt dat het niet van Maunder minima komt,” zei hij.

“Wat astronomen hebben aangenomen is dat zonachtige sterren die door een stellaire funk gaan eigenlijk zeer, zeer oude sterren zijn waarvan de magnetische velden voor altijd zijn uitgeschakeld. Ze bevinden zich niet in een tijdelijk
mafimum, maar in een permanent minimum. Ze zijn dood,” zei Marcy. “De zon zal over ongeveer 4 miljard jaar in die toestand verkeren.”

“Dit impliceert dat als andere sterren zelf een Maunder-minimum ondergaan, het ofwel een zeldzaam verschijnsel is dat bijna niet wordt waargenomen in activiteitsoverzichten, of het is niet noodzakelijkerwijs aangegeven door lage calcium … emissieniveaus,” schreef Wright. Daarom, voegde hij eraan toe, is er een ander criterium nodig om die sterren in een stellaire neergang te onderscheiden.

Het probleem met sterren waarvan gedacht wordt dat ze in een Maunder-minimum zitten, bleef onopgemerkt omdat pas in 1998 de Hipparcos-satelliet werd gelanceerd en de precieze afstanden tot veel nabije sterren begon te bepalen. Toen werd het mogelijk om de absolute helderheid van deze sterren te berekenen, en ze precies te plaatsen op een kleur-helderheidsdiagram, bekend als een Hertzsprung-Russell diagram.

Wright besloot systematisch naar Maunder-minimum sterren te kijken nadat hij en Marcy hadden opgemerkt dat veel schijnbaar inactieve nabije sterren eigenlijk helderder waren dan hoofdreekssterren. Zij verzamelden spectra van meer dan 1000 nabije sterren om naar aanwijzingen voor planeten te zoeken.

In zijn analyse gebruikte Wright Hipparcos-gegevens over afstand om de absolute helderheid te bepalen van enkele duizenden nabije sterren die niet alleen door Marcy’s California en Carnegie Planet Search Program waren onderzocht, maar ook door andere projecten, zoals het Mount Wilson H-K Project en Project Phoenix. Hij merkte op dat sommige van de sterren die eerder als Maunder-minimumsterren zijn geïdentificeerd, metaalrijke sterren kunnen zijn, die ook helderder branden dan onze zon en minder activiteit vertonen. Verdere analyse van nabije sterren is nodig om deze stille sterren te karakteriseren.

De bevindingen, die zijn ingediend bij Astrophysical Journal, zijn het resultaat van werk dat is gesteund door Sun Microsystems, de National Aeronautics and Space Administration, en de National Science Foundation.