Zwaartekrachtgolven zijn te meten
3 april 2007
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.
“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.”
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
wit te 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!”
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”
Gijs Roelofs verrichtte zijn onderzoek in het kader van het door
NWO gefinancierde Vidi-project White Dwarfs and the Galaxy van Professor
Paul Groot.
Bron:
http://www.ru.nl/wetenschapsagenda
Wetenschapsredactie
Radboud Universiteit Nijmegen
T: 024-3616000
E: info@communicatie.ru.nl
