Witte dwergen rekken leven met miljard jaar

Astronomie Witte dwergen zijn opgebrande sterren. Ze blijven onverwacht lang helder, blijkt nu uit metingen. Een oude theorie is daarmee bevestigd.

De witte dwerg Sirius B is bijna even zwaar als de zon, maar net iets kleiner dan de aarde. Sirius B en aarde zijn hier naast elkaar gezet. Het betekent dat Sirius B enorm zwaar is. De zwaartekracht is er 350.000 keer groter dan op aarde. Wie 70 kilo weegt op aarde ziet de personenweegschaal daar 25 miljoen kilo aanwijzen.
De witte dwerg Sirius B is bijna even zwaar als de zon, maar net iets kleiner dan de aarde. Sirius B en aarde zijn hier naast elkaar gezet. Het betekent dat Sirius B enorm zwaar is. De zwaartekracht is er 350.000 keer groter dan op aarde. Wie 70 kilo weegt op aarde ziet de personenweegschaal daar 25 miljoen kilo aanwijzen. Foto ESA/NASA

Witte dwergen, de resten van uitgeputte sterren, kristalliseren van binnenuit. Daarmee rekken ze hun leven met een miljard jaar. Dat werd 50 jaar geleden voorspeld en er waren incidentele waarnemingen die de theoretici aarzelend gelijk gaven. Nu is het bevestigd met metingen aan een enorme groep witte dwergen van uiteenlopende leeftijden. Het zijn waarnemingen van de Europese ruimtetelescoop Gaia.

Witte dwergen zijn de ‘ingestorte’ kernen van sterren die geen energie meer kunnen opwekken door middel van kernfusie. Een ster die witte dwerg wordt, is aanvankelijk nog zeer heet en eigenlijk maar met één ding bezig: afkoelen. Mettertijd wordt hij roder van kleur en minder helder.

In principe kan aan de helderheid van een witte dwerg dus worden afgelezen wat zijn leeftijd is. Berekeningen laten echter zien dat het afkoelen van een witte dwerg niet gelijkmatig verloopt. Op enig moment gaan de koolstof- en zuurstofionen in de kern van de ster kristalliseren. Daarbij komen aanzienlijke hoeveelheden warmte vrij, die de afkoeling van de witte dwerg met ongeveer een miljard jaar vertragen. Dat is de theorie.

Bestaat die vertraging, dan zou er een overschot aan ‘te heldere’ witte dwergen moeten zijn. Om dat te kunnen verifiëren moet echter van een groot aantal witte dwergen zowel de helderheid als de afstand nauwkeurig bekend zijn. Deze gegevens zijn pas sinds afgelopen zomer beschikbaar. De metingen komen van de ruimtetelescoop Gaia, die bezig is om van meer dan een miljard sterren helderheid en afstand te bepalen.

15.000 witte dwergen

Uit deze berg aan gegevens heeft een team van Britse, Canadese en Amerikaanse astronomen, onder leiding van Pier-Emmanuel Tremblay van de universiteit van Warwick, ruim 15.000 witte dwergen op afstanden tot 300 lichtjaar geplukt. Hun donderdag in Naturegepubliceerde analyse vertoont inderdaad de voorspelde ‘pile-up’ die aan het kristallisatieproces in het inwendige van witte dwergen wordt toegeschreven.

De nu gemeten vertraging in de afkoeling van witte dwergen kent een belangrijke praktische toepassing. Ze maakt het mogelijk om nauwkeurigere schattingen te maken van de leeftijden van sterpopulaties – mits deze witte dwergen omvatten natuurlijk.

Materie snoepen

Hoewel witte dwergen van zichzelf niet veel energie meer produceren, zijn ze nog wel tot grootse dingen in staat. Dat is met name het geval wanneer een witte dwerg een andere ster als begeleider heeft. In dat geval kan hij materie van zijn ster ‘afsnoepen’ en hult hij zich in een atmosfeer van ‘vers’ waterstofgas. Dat resulteert in een zogeheten nova-explosie, waarbij de witte dwerg gedurende korte tijd miljoenen keren meer licht uitzendt dan onze zon.

Tekening van de witte dwerg V407 Cygni die in 2010, niet ver van een begeleidende ster, een rode reus, een nova-explosie doormaakte.

In sommige gevallen herhaalt dit verschijnsel zich met tussenpozen van enkele jaren. Astronomen spreken dan van een recurrente nova. Doordat bij elke nova-explosie schokgolven met snelheden tot wel 10.000 kilometer per seconde optreden, vormt zich een holte in het omringende interstellaire gas. De verwachting was dat de holtes rond recurrente nova’s aanzienlijke afmetingen zouden kunnen bereiken, maar tot nu toe waren er geen exemplaren groter dan enkele lichtjaren bekend.

Een internationaal team onder leiding van Matt Darnley van de Liverpool John Moores-universiteit heeft nu echter een holte rond een recurrente nova ontdekt die ruwweg 400 bij 300 lichtjaar meet. De veroorzaker ervan – M31N 2008-12a – bevindt zich niet in onze Melkweg, maar in het naburige Andromedastelsel. Uit de afmetingen van de holte wordt afgeleid dat deze witte dwerg al miljoenen jaren nova-explosies vertoont. Momenteel komt er jaarlijks eentje bij.

Het ziet er echter naar uit dat het einde van de reeks explosies in zicht is. In hun eveneens in Nature gepubliceerde onderzoeksverslag concluderen Darnley en zijn collega’s dat de M31N 2008-12a meer materie van de begeleidende ster ontvangt dan hij per explosie kwijtraakt.

Als dat doorgaat zal hij hierdoor binnen 40.000 jaar de kritische massa van bijna anderhalve zonsmassa bereiken. Dan zal de witte dwerg ofwel samentrekken tot een (nog compactere) neutronenster of een allesverwoestende supernova-explosie ondergaan.