Radboud Universiteit Nijmegen
Zwaartekrachtgolven zijn te meten
Tien waren er. Dubbele massaoverdragende witte dwergen: exotische,
supercompacte sterren die dicht om elkaar heen draaien met een
rotvaart. Gijs Roelofs ontdekte de elfde. Ook numero 16 was weer voor
de promovendus van het Nijmeegse Institute for Mathematics,
Astrophysics and Particle Physics, IMAPP. Hij stuitte bovendien op de
door Einstein voorspelde zwaartekrachtsgolven.
Het overgrote deel van alle sterren eindigt zijn leven als een witte
dwerg: de uitgebrande, nagloeiende sintel van wat vroeger de kern van
de ster was. In zeldzame gevallen staan er twee witte dwergen bij zo
dicht bij elkaar dat er massa overstroomt van de een naar de ander. Ze
draaien om elkaar heen zonder op elkaar te knallen en er stroomt massa
van de grote, lichte naar de kleine, zware dwerg. Deze toegevoegde
massa spiraliseert in een schijf naar de kleine zware dwerg toe.
Artistieke weergave van een zeer compacte ster die massa opslokt van
zijn grotere begeleider. De massa spiraliseert in een heldere schijf
naar de compacte ster/STScI
Artistieke weergave van een zeer compacte ster die massa opslokt van
zijn grotere begeleider. De massa spiraliseert in een heldere schijf
naar de compacte ster/STScI.
"Ik ben eerst op zoek gegaan naar meer van dit soort dubbele witte
dwergen. In de Sloan Digital Sky Survey vonden we een zwak object
waarin helium aanwezig was. Normaal zien we dan ook veel waterstof in
een dubbelster, maar aangezien dat hier geheel ontbrak leek het op een
van onze systemen. Gezien de zwakte van het object zijn we gaan kijken
met de grootste beschikbare telescoop, de Very Large Telescope in
Chili. Met snelle spectroscopietechnieken hebben we kunnen bevestigen
dat het een dubbelster is met een baanperiode van 36,37 minuten. Ook
de massaverhouding tussen beide sterren klopte. SDSS J1240 was een
dubbele witte dwerg, de elfde en mijn eerste!" Gijs Roelofs,
onderzoeker bij het Institute for Mathematics, Astrophysics and
Particle Physics (IMAPP) van de Radboud Universiteit, ontdekte ook de
zestiende. Inmiddels staat de teller op twintig. Op 16 april
promoveert Roelofs op zijn onderzoek.
Geboren uit stervende dubbelster
Een van de hoofdvragen van het promotieonderzoek van Gijs Roelofs was
hoe de zeldzame dubbele witte dwergen ontstaan. Inmiddels vindt hij de
volgende verklaring het meest plausibel: "Veel sterren worden als
dubbelster geboren. Ze draaien om elkaar heen, met zeg een periode van
een jaar. Als sterren hun voorraad brandstof verstookt hebben, zullen
ze gaan uitdoven. Voor dat ze dat doen zwellen ze echter wel enorm op.
Er blijft een zware kern over met daaromheen een wolk waterstofgas. De
dovende ster is dan wel honderd keer zo groot. Dit noemen we een rode
reus. De gaswolk van deze reus kan dan zijn broertje in de buurt
omsluiten. Maar dat geeft wrijving! Binnen een jaar heeft de
opgeslokte ster de gaswolk van de dovende ster weggesleten en dan hou
je een systeem over van een nog hete kern en een ster. Als die ster
vervolgens ook aan het eind van zijn leven komt, expandeert die weer
en nu slijt de buurkern de tweede gaswolk weg."
De gaswolk rond een stervende ster verdwijnt uiteindelijk geheel
De gaswolk rond een stervende ster verdwijnt uiteindelijk geheel.
Deze theorie klopt met het feit dat er helemaal geen waterstof te
vinden is in deze objecten, terwijl waterstof toch meer dan zeventig
procent van de materie in het heelal uitmaakt. Alle waterstof is
weggeblazen tijdens het ontstaan van de dubbele dwerg.
"Je houdt twee kernen over die nu veel sneller om elkaar heen draaien,
in een uur of twee", legt Roelofs uit. "Dan gaat de zwaartekracht zijn
werk doen, twee zware objecten bij elkaar in de buurt komen steeds
dichter bij elkaar omdat er volgens de Algemene Relativiteitstheorie
energie wordt uitgestraald in zwaartekrachtsgolven. Meestal heeft dat
fusie van de twee sterkernen als gevolg, maar bij de zeldzame dubbele
witte dwergen ontstaat op een gegeven moment stabiliteit. Hun
draaisnelheid is nu een kwestie van minuten en ze staan zo dicht bij
elkaar dat er massa van de ene ster naar de andere stroomt."
Geen supernova
De promovendus, die binnenkort naar het Harvard-Smithsonian Center for
Astrophysics in Cambridge (VS) vertrekt voor postdoconderzoek, gelooft
dat het hierbij blijft. "Het overstromen van de massa gaat altijd
door. Wel neemt de snelheid af naarmate het verschil in massa tussen
de twee dwergen afneemt."
Eerder werd aangenomen dat de dubbele witte dwergen uiteindelijk
zouden kunnen eindigen als een supernova type 1a, maar daarvoor
blijken de nu bekende witte dwergen te licht: ze wegen samen zoiets
als de zon, samengebald in de grootte van de aarde. In het universum
is dat klein. Paul Groot, leider van het Nijmeegse
wittedwergenprogramma en sinds kort hoogleraar astrofysica, vertelt
dat het werk van Gijs Roelofs laat zien dat er tien keer minder
dubbele witte dwergen zijn dan eerder op grond van modellen werd
aangenomen. Ook dat is een argument tegen de supernovahypothese. "Er
zijn er gewoon te weinig om het aantal supernova's te verklaren. De
verhouding is zoek."
Zwaartekrachtgolven
De algemene relativiteitstheorie van Einstein voorspelt het bestaan
van gravitatiegolven: door de beweging van twee zware massa's om
elkaar wordt energie weggestraald in zwaartekrachtsgolven. Dit gaat
ten koste van de energie die beschikbaar is voor de baan van de
dubbelster en de sterren zullen steeds dichter bij elkaar komen.
Roelofs heeft van vier dubbele witte dwergen kunnen vaststellen dat er
genoeg zwaartekrachtgolven ontsnappen om te kunnen meten. "De ruimte
rimpelt om de sterren heen onder invloed van de zwaartekracht."
Daarmee zijn ze ideaal voor de LISA-satelliet. "De frequentie van deze
golven past precies bij de gravitatiegolfdetector LISA die over een
jaar of tien in een baan rond de zon gelanceerd wordt", zegt Paul
Groot. "Het zijn de enige objecten waarvan we nu al weten dat ze het
doen. Ze zijn de testcase voor LISA. Op dag 1 dat LISA aangaat, moeten
ze worden gemeten. Als dat niet zo is, werkt het instrument niet!"
Twee compacte sterren die in een nauwe baan om elkaar heen draaien,
veroorzaken rimpelingen in de ruimte-tijd
Twee compacte sterren die in een nauwe baan om elkaar heen draaien,
veroorzaken rimpelingen in de ruimte-tijd, vergelijkbaar met de
rimpelingen op een wateroppervlak als er een steentje in het water
wordt gegooid. Deze zwaartekrachtsgolven kunnen in de nabije toekomst
met zeer nauwkeurige instrumenten gemeten worden./ K. Thorne
(Caltech), T. Carnahan (NASA GSFC)
Tot die dag richt Gijs Roelofs zijn blik op andere compacte objecten.
In Harvard gaat hij kijken naar bolhopen. In deze opeenhopingen van
sterren kan een ander ontstaansmechanisme werken: de sterren staan
hier zo dicht bij elkaar dat ze wél zomaar kunnen botsen en zo
ultracompact kunnen worden.
Om te begrijpen wat er gebeurt zal hij numerieke simulaties combineren
met waarnemingen, een werkwijze die in Nijmegen gebruikelijk is en
succesvol blijkt. "Ik ben een waarnemer, ik kijk al vanaf mijn
studietijd naar witte dwergen," zegt Paul Groot. "Hier in Nijmegen
modelleert Gijs Nelemans vanuit de standaard natuurkunde hoe deze in
elkaar zouden kunnen zitten. Wij práten met elkaar. Dat is niet zo
triviaal als het lijkt. Veel groepen zijn of goed in waarnemen of goed
in rekenen. Onze kracht zit in de samenwerking"
Meer informatie
* Promotie Gijs Roelofs, 16 april 2007: The AM Canum Venaticorum
Stars
* Instituutspagina Institute for Mathematics, Astrophysics and
Particle Physics
* Filmpje over Nijmeegs modellenwerk
* Meer over witte dwergen
* Meer over LISA
* Meer over Harvard-SmithsonianCenter for Astrophysics