20 november 2018

Witte dwergsterren krijgen nieuwe impuls voor kernfusie bij ontmoeting met hypothetische zwarte gaten

Astronomen van het Lawrence Livermore National Laboratory hebben door middel van supercomputer simulaties aangetoond dat het kernfusie proces in witte dwergsterren weer op gang gebracht kan worden door een nabije ontmoeting met zwarte gaten met een gemiddelde massa, of IMBH’s.

Sirius A en witte dwerg Sirius B credits; wikipedia

Witte dwergen zijn sterren die aan de laatste fase van hun levenscyclus zijn gekomen. Om in een witte dwerg te kunnen veranderen moet de massa van de ster kleiner zijn dan 1,4 zonsmassa’s (Chandrasekhar-limiet), is de ster groter, dan eindigt de ster als een neutronenster of een zwart gat. De ster in een ‘witte dwerg toestand’ is dus een ster van een bepaalde massa die in haar laatste fase zit. Vanaf daar gaat het alleen maar bergafwaarts met de ster. Er is geen nieuwe bron van energie en het licht vervaagt. In de witte dwerg vinden dus geen kernreacties meer plaats.

Terwijl de grootste sterren een meer dramatisch einde ondergaan, ze exploderen als een supernova of ze storten ineen om als zwart gat te eindigen, verloopt de laatste fase voor sterren met een lagere massa geleidelijker. Voordat zo een ster een witte dwerg wordt, zwelt ze eerst op tot een rode reus en werpt ze de buitenste lagen af opdat er zich een iets minder explosieve planetaire nevel kan ontwikkelen. Hierbij de kern achterlatend, welke vervolgens ineen stort. De witte dwerg die hierdoor ontstaat heeft een straal van enkele duizenden kilometers en een gigantische dichtheid van honderden ton per kubieke centimeter. Vanwege de kleine oppervlakte straalt een witte dwerg – ondanks zijn hoge oppervlaktetemperatuur – 100 tot 10.000 keer minder licht uit dan de zon. Dan te klein en te koud om door te gaan met fusie reacties tot stand te kunnen brengen, kunnen witte dwergen hun licht nog wel zeer lang, tot miljarden jaren, laten schijnen voordat ze uiteindelijk vervagen tot een hypothetische zwarte dwerg* (AB, AN, 18 juni j.l.) – een lot dat onze eigen zon ook wacht. over ongeveer een biljard (1015) jaar. Een hypothetische zwarte dwerg, daar is tot op heden nog geen sluitend bewijs gevonden voor wat betreft de detectie van een IMBH, maar het indirecte bewijs uit verschillende richtingen is veelbelovend.  Tot dusverre  is alleen  bevestigd dat zwarte gaten hetzij bestaan als stellaire massa, vijf tot tien keer de massa van de zon, of superzwaar zijn, in de orde van miljoenen zonsmassa’s. De zwarte dwergen met tussenliggende massa ‘intermediate-mass black hole of IMBH,  is een klasse van zwarte gaten met massa in het bereik van 102-105 zonmassa’s: aanzienlijk meer dan stellaire zwarte gaten maar minder dan de superzware gaten met 105-10 zonsmassa’s.

Witte dwerg getijdenwerking door ICBH van 1000 zonsmassa’s credits; College of Charleston

Het Livermore Lab of kortweg LLNL team heeft een theorie ontwikkeld waarbij ervan uitgegaan wordt dat het mogelijk is dat de witte dwergen een doorstart krijgen en aangezet worden door IMBH’s om nieuwe fusiereacties tot stand te laten brengen. Bij dit fusiereactie proces (of nucleosynthese) komt de opbouw van atoomkernen van zwaardere elementen uit lichtere tot stand. In het binnenste van een ster vinden kernfusie reacties onder invloed van hoge druk en temperatuur plaats, waarbij uit water helium wordt gevormd, en hieruit weer koolstof en zwaardere elementen. Men kwam tot dit idee, een soort van doorstart waarbij de witte dwergen een nieuwe impuls krijgen voor het fusie reactie proces, vanwege de extreme krachten die zich rond de zwarte gaten met een gemiddelde massa voordoen.  Om het idee uitgebreid uit te testen gebruikten de onderzoekers een supercomputer (op het LLNL staat de Sierra, een van de krachtigste computers ter wereld) om tientallen variaties van dit scenario te simuleren. De studie bracht inderdaad aan het licht dat dit type zwart gat het fusiereactie proces in de witte dwerg weer op gang zou kunnen brengen. Getijdenwerking* uitgeoefend door het zwarte gat rekte de ster uit, daarbij genoeg druk creërend om het fusie proces te herstarten en daarbij weer zwaardere elementen als ijzer te produceren. Des te dichter de ster het zwarte gat nadert, des te efficiënter het proces is. Co-auteur Chris Fragile zegt over de ‘ontmoeting’ tussen beide sterren in hun artikel; ‘Om dit te laten gebeuren,  moet de witte dwerg relatief dichtbij komen (binnen de “getijdenradius”) naar dit type zwart gat (IMBH). Dit komt omdat de grootte van een zwart gat (en de getijdestraal) overeenkomt met de massa. Als het zwarte gat te weinig massa heeft, is de getijdestraal kleiner dan de grootte van de witte dwerg, dus het zwarte gat wordt aanvankelijk ingeslikt door de witte dwerg. Als het zwarte gat te veel massa heeft, zal het zo groot zijn dat de witte dwerg naar binnen gaat voordat de getijdenkrachten sterk genoeg worden om het uiteen te scheuren. De optimale afstand tussen de ster en het zwarte gat zou moeten liggen tussen de twee en drie keer de radius van het zwarte gat.

Rob Hoffman, co-auteur van het LLNL artikel stelt; ‘Het uitrek proces is zeer ingewikkeld.’ Stel je een bolvormige ster voor die een zwart gat nadert. Terwijl het het zwarte gat nadert, beginnen de getijdenkrachten de ster te comprimeren in een richting loodrecht op het baanvlak, waardoor het (witte dwerg) opnieuw ontbrandt. Maar binnen het baanvlak trekken de gravitatiekrachten de ster uit elkaar. Het is een concurrerend effect.Hoewel deze scenario’s hypothetisch mogelijk zijn, moeten de gebeurtenissen relatief eenvoudig te herkennen zijn met behulp van de huidige technologie. Er is zoveel energie dat de ontmoeting significante elektromagnetische signalen, als röntgen, gamma straling en gravitatiegolven zou uitwerpen.’

Dat is belangrijk, niet alleen om de theorie te valideren, maar ook als een manier om zwarte gaten met gemiddelde massa te detecteren. Tot dusverre is alleen bevestigd dat zwarte gaten bestaan als stellaire massa (een paar keer de massa van de zon) of superzwaar (miljoenen zonsmassa’s), maar men vermoedt ook al langer dat er een categorie voor een middengewicht zwart gat bestaat. Het zoeken ernaar is in volle gang, en het opnieuw ‘aansteken’ van een witte dwerg kan misschien precies die lichtshow zijn die nodig is om hun bestaan te bevestigen.

Peter Anninos, eerste auteur van het LLNL artikel stelt; ‘Het was geweldig te zien hoe iedere ‘zombie’ ster (zoals zijn bijnaam luidt voor de witte dwerg) opnieuw ontstak bij een dichte ontmoeting met het zwarte gat, en dat gold voor elk uitgetest scenario dat we bedacht hebben,’ ‘echter nog fascinerender vond ik het idee was dat we het fenomeen van een nooit eerder gedetecteerde klasse zwarte gaten door dit energetische gebeuren zichtbaar konden maken. De witte dwerg dient zodoende als een soort ‘herkenningsbaken’ voor deze zwarte gaten.’ Bronnen; New Atlas / Phys.org / Lawrence Livermore National Laboratoy

Relativistic Tidal Disruption and Nuclear Ignition of White Dwarf Stars by Intermediate Mass Black Holes. arxiv.org/abs/1808.05664

*De temperatuur van een jonge witte dwerg bedraagt vele tienduizenden graden, waarbij de ster heel langzaam afkoelt totdat de temperatuur zo laag wordt dat ze geen licht meer kan geven; in deze fase is de ze een zwarte dwerg geworden. Het afkoelen neemt miljarden jaren in beslag, maar volgens sommige theorieën nog veel langer. Aangezien het heelal slechts 13,7 miljard jaar oud is, wordt aangenomen dat deze categorie zwarte dwergen in het huidige heelal vooralsnog niet bestaan. De oudste bekende witte dwergen (zoals WD 0346+246) hebben een temperatuur van rond de 4000 graden C.)Zie ook Astroblog van Arie,

https://www.astroblogs.nl/2018/06/18/sterke-aanwijzingen-gevonden-voor-bestaan-tussenmaatje-zwarte-gaten/

**Getijdenwerking of ‘tidal disruption events (TDE); tijdens TDE’s wordt het object dat wordt verstoord gelijktijdig uitgerekt en samengedrukt in tegengestelde richtingen. Als het object toevallig een witte dwergster is, kan de compressie voldoende zijn om, zij het kort, kernfusie reacties te doen ontstaan. TDE’s  zijn soms in staat om enorme elektromagnetische uitbarstingen te produceren. Tot nu toe zijn er slechts enkele ontdekkingen gedaan die in potentie a.h.w. de ‘handtekening’ of signaturen tonen van zo een TDE. Geen van deze lijkt de verstoring door toedoen van een witte dwerg te zijn. TDE’s zijn een primaire doelstelling van huidige en toekomstige missies, waaronder de All Sky Automated Survey voor SuperNovae (ASASSN), de Intermediate Palomar Transient Factory en de Large Synoptic Survey Telescope (LSST).

Reacties

  1. Nee, nee, nee. Quadriljoen is 10^24. Bij ons gaat dat zo: quadro staat voor 4. Dan die 4 maal 6 nullen per miljoen, is 24 nullen.
    Voor de geschiedenis van de naamgeving van getallen zie: https://nl.wikipedia.org/wiki/Korte_en_lange_schaalverdeling

    • Angele van Oosterom zegt:

      Aangepast voor tien tot de macht 15, het wordt wel eens tijd voor 1 systeem van naamgeving lijkt me. Dank, gr. Angele

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.