Witte kannibalen

EXPLODERENDE Witte Dwergen liggen aan de basis van de recente bewering door astronomen dat het heelal versneld uitdijt en we een koud en doods heelal tegemoet gaan. Zo opzienbarend was deze vondst dat Science hem uitriep tot de ontdekking van 1998. Het mechanisme achter deze explosies, ook wel type Ia-supernova's genoemd, wordt uit de doeken gedaan in het februarinummer van Scientific American. Co-auteur van het artikel is prof.dr. E.P.J. van den Heuvel, directeur van het sterrenkundig instituut `Anton Pannekoek' in Amsterdam en een begaafd popularisator van zijn vakgebied.

Witte Dwergen zijn opgebrande sterren die zijn gekrompen tot het formaat van de Aarde. De oorspronkelijke waterstof en helium in de kern van zo'n ster zijn gefuseerd tot koolstof, zodat nog maar weinig energie wordt uitgestraald en ze nauwelijks aan de hemel zichtbaar is. Dat ligt anders als een Witte Dwerg deel uitmaakt van een dubbelstersysteem en waterstofgas wegsnoept van een nabije begeleider. Het resultaat van dit kannibaliseren is dat de Witte Dwerg grote hoeveelheden `zachte' röntgenstraling uitzendt, 5.000 à 20.000 keer zoveel als het totale vermogen van de zon.

De superzachte röntgenbronnen dienden zich aan na de lancering in 1990 van de ROSAT. Deze Duitse satelliet had als eerste detectors aan boord die gevoelig waren voor deze straling. Nadat het nieuwe type hemellichamen was herkend vonden astronomen in oude metingen verricht door het Amerikaanse Einstein Observatorium in de Grote Magelhaanse Wolk nog twee van zulke bronnen, CAL 83 en CAL 87 gedoopt. Beide maakten ze deel uit van een dubbelster, met een omloopstijd van respectievelijk ruim een dag en 11 uur. Gedacht werd aan zwarte gaten die materie van hun begeleiders wegzogen, maar de ROSAT-gegevens aangaande temperatuur en helderheid wezen eerder op Witte dwergen.

Waar kwam de röntgenstraling vandaan? De eerste gedachte was dat gravitatie de bron was: zodra het waterstofgas op de Witte Dwerg stortte, zou de straling vrijkomen. Analyses van Van den Heuvel en anderen wezen echter uit dat de zwaartekracht als oorzaak van de straling niet voldeed: de superzachte röntgenbron zond evenveel energie uit als een neutronenster. Die is nog veel compacter dan een Witte Dwerg, zodat het invallende waterstof 500 à 1000 keer krachtiger te pletter slaat. Dus zou de Witte Dwerg, om voor dit verschil te compenseren, zijn begeleidende ster in een vergelijkbaar hoger tempo moeten opsnoepen: jaarlijks een massa ter grootte van enkele Aardes. Zoveel invallend waterstofgas zou een sluierwerking hebben en de uitgezonden röntgenstraling blokkeren.

Na enkele weken puzzelen werd duidelijk dat kernfusie aan de buitenkant van de Witte Dwerg potentieel tientallen keren meer energie oplevert dan de zwaartekrachtsenergie die bij het inslaan van eenzelfde massa aan waterstofgas vrijkomt. Berekeningen wezen uit dat fusie van 0,03 aardmassa aan waterstof per jaar volstaat om de waargenomen hoeveelheid zachte röntgenstraling te verklaren. Verder bleek dat bij een trage accretie door de Witte Dwerg de fusie niet continu verloopt maar schoksgewijs. Pas als er voldoende waterstof is opgehoopt, volgt ontsteking: aan de hemel is een kortstondige nova (opvlammende ster) te zien. Ligt de accretie erg hoog, dan vormt het invallende waterstofgas een mantel rond de Witte Dwerg die de röntgenstaling op weg naar buiten omzet in ultraviolet en zichtbaar licht. Ook afwisseling van deze fasen is mogelijk.

Naar schatting telt ons Melkwegstelsel zo'n duizend bronnen van superzachte röntgenstraling. Ieder millennium komen er een paar bij en sterven er enkele. Dat einde kan spectaculair zijn. Door het invangen van de waterstof, gevolgd door kernfusie, neemt de massa van de Witte Dwerg geleidelijk toe. Groeit deze tot boven de 1,4 zonsmassa (de Chandrasekhar-limiet) dan volgt, afhankelijk van de samenstelling en de beginmassa van de Dwerg, ineenstorting tot een neutronenster of een kosmische vuurbal. Is er koolstof in de kern afwezig of is de Witte Dwerg aanvankelijk zwaarder dan 1,1 zonsmassa, dan is het eerste scenario van toepassing, anders het tweede.

In dat laatste geval ontsteekt het helium dat na de waterstoffusie op de Witte dwerg is achtergebleven op explosieve wijze. De schokgolven die dat oplevert ontsteken de koolstofkern, een proces dat zichzelf versterkt. Het gevolg is dat de zaak uit de hand loopt en de ster zich binnen enkele seconden volledig opblaast, waarbij nikkel en andere zwaardere elementen het heelal in worden geslingerd. Dit kosmische vuurwerk heet een type Ia supernova. Ze zijn in trek bij astronomen omdat ze als een `standaardlamp' fungeren en zo licht werpen op de snellere uitdijing van het heelal. Dubbelsterren met een Witte Dwerg op korte afstand van een begeleider zijn het eerste systeem dat type Ia supernova's kan opleveren.

Verder in het februarinummer van Scientific American artikelen over fractalen op de beurs, hoge bloeddruk bij zwarte Amerikanen, cychilden (de Afrikaanse vissen die Tijs Goldschmidt onderzocht) en de ontwikkeling van ledematen. Speciale aandacht is er voor ruimtevaartuigen die ons in de toekomst diep het heelal in moeten brengen. Een van de voorstellen behelst een reflecterend scherm, vanaf de Aarde voortgedreven door een krachtige laserbundel. Veertig jaar zeilen op licht moet voldoende zijn om Alpha Centauri te bereiken, een ster op maar vier lichtjaar van de zon en wellicht in het bezit van planeten. En dan maar hopen dat je er iemand tegenkomt.

Scientific American. Februari 1999. Verkrijgbaar in de betere boekhandel. Losse nummers ƒ14,50.