Chandra en XMM-Newton zien hoe een witte dwerg zijn begeleider roostert en verscheurt

Illustratie van de witte dwerg en zijn begeleider. Credit: Illustration: NASA/CXC/M. Weiss; X-ray (Inset): NASA/CXC/ASIAA/Y. Chu. et al.NASA/CXC/M. Weiss; X-ray (Inset): NASA/CXC/ASIAA/Y.-H. Chu, et al.

Sterrenkundigen hebben met behulp van NASA’s Chandra en ESA’s XMM-Newton röntgenruimtetelescopen een witte dwerg ontdekt die bezig is om zijn begeleider – een planeet of een kleine ster – te roosteren en aan stukken te scheuren. Met die telescopen onderzochten ze de röntgenactiviteit van drie witte dwergen en eentje daarvan bleek bijzonder te zijn: KPD 0005+5106 bleek een veranderlijke lichtcurve te hebben, iedere 4,7 uur was er een afname en daarna een toename van de röntgenstraling. Het is een witte dwerg die 1300 lichtjaar van ons vandaan staat in de Melkweg (sterrenbeeld Cassiopeia) en met een temperatuur aan het oppervlak van 200.000 K is hij loeiheet (ter vergelijking: de zon is 6000 K heet). Wat blijkt nu uit die periodieke verandering van de straling: dat er een begeleider om KPD 0005+5106 heen draait die er slechts 800.000 km vandaan staat, da’s 1/30e van de afstand tussen Mercurius en zon. Door de korte afstand stroomt er continu materie van de begeleider (waarvan de exacte aard nog niet is vastgesteld, al lijkt het eerder een planeet á la Jupiter dan een kleine ster of bruine dwerg) naar de witte dwerg en op de noord- en zuidpool van de dwerg zorgt dat voor een heldere plek waar röntgenstraling vandaan komt. Als de begeleider dan gezien vanaf de aarde voor zo’n plek langs schuift dan daalt de straling even door de verduistering. Door de korte afstand wordt de begeleider door de sterke straling en door de getijdewerking continu geroosterd en verscheurd. Over een paar honderd miljoen jaar zal de begeleider compleet verzwolgen zijn door de witte dwerg.

Hier het vakartikel over KPD 0005+5106, verschenen in The Astrophysical Journal. Bron: NASA/Chandra.

Rotsachtige exoplaneten zijn nog vreemder dan we al dachten

Impressie van een wite dwerg met daaromheen allerlei rotsachtige objecten. Credit: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

Nieuw zogeheten ‘astrogeologisch onderzoek’ wijst uit dat de meeste rotsachtige exoplaneten, die niet ver verwijderd van de aarde zijn, heel anders zijn dan wat wij kennen in het zonnestelsel. Sterrenkundigen van NOIRLab hebben samengewerkt met geologen van California State University, Fresno (VS) en die hebben met elkaar gekeken naar de samenstelling van rotsachtige planeten bij sterren niet ver van ons vandaan. Daarbij keken ze naar zogeheten “vervuilde” witte dwergen, dat zijn dwergsterren die vervuild zijn geraakt met materiaal van planeten, planetoïden en andere rotsachtige objecten, die ze gedurende hun leven hebben verorberd. Witte dwergen waren eerst op de zon lijkende sterren, maar na een relatief korte fase waarin ze opgeblazen waren als rode reuzenster hebben ze rotschtige planeten in hun omgeving verzwolgen en is het materiaal daarvan in de ster terecht gekomen. Door de atmosferen van 23 , allemaal gelegen binnen een straal van 650 lichtjaar van de aarde, vervuilde witte dwergen te bestuderen konden Siyi Xu en Keith Putirka zien wat de chemische samenstelling van de witte dwergen is en welke materialen van de verorberde rotsachtige objecten in de witte dwerg zijn terecht gekomen. Uit de waarnemingen, die gedaan werden met de Hubble ruimtetelescoop en de W.M. Keck telescoop op Hawaï blijkt dat de witte dwergen een grotere variatie aan mineralen en rotssoorten kennen dan we hier in het zonnestelsel kennen. Sommige samenstellingen zijn zelfs niet eens bekend, zodat de twee onderzoekers er eigen namen aan hebben gegeven, zoals quartz pyroxenites en periclase dunites. De planeten die ooit om de voorgangers van de witte dwergen draaiden hadden dus een exotische samenstelling, die verschillende van de rotsachtige planeten die om de zon draaien.

De grote hoeveelheden magnesium in lagere hoeveelheden silicium in de aangetroffen mineralen wijzen er op dat dit materiaal afkomstig was uit de mantel van de rotsachtige planeten en niet uit hun korst. Hier het vakartikel over het onderzoek aan de vervuilde witte dwergen, verschenen in Nature. Bron: NOIRLab.

Als witte dwergen ouder worden dan worden ze ook magnetischer

Impressie van een witte dwerg. Credit: M.S. Sliwinski and L. I. Slivinska of Lunarismaar.

Sterrenkundigen hebben ontdekt dat als witte wergsterren ouder worden hun magnetisch veld in kracht toeneemt. Uit onderzoek van Stefano Bagnulo (Armagh Planetarium & Observatory) en John Landstreet (University of Western Ontario) blijkt dat ongeveer één op de vier witte dwergen magnetisch is, d.w.z. beschikt over een sterk magnetisch veld. Samen bekeken ze met diverse telescopen 152 witte dwergen die tot 65 lichtjaar afstand van de aarde staan. Witte dwergen zijn compacte sterren met de massa van de zon, gepropt in een bol zo groot (of klein) als de aarde. Ook onze zon zal later eindigen als witte dwerg. Op de groep van 152 witte dwergen bleken er 33 magnetisch te zijn, waarvan de witte dwergen met meer massa vaker magnetisch waren dan de lichtere witte dwergen. Ook waren er geen witte dwergen magnetisch die jonger waren dan een half miljard jaar. Hier het vakartikel over het onderzoek aan de witte dwergen, verschenen in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Bron: Phys.org.

Zeer zware witte dwerg ontdekt die mogelijk ineen kan storten

Impressie van de kleinste en zwaarste ontdekte witte dwerg, met ter vergelijking onze maan erbij. Credit: Giuseppe Parisi

Sterrenkundigen hebben de kleinste, maar tevens ook zwaarste witte dwerg ontdekt die tot nu toe bekend is. De witte dwerg heet ZTF J1901+1458 en hij is het product van de botsing en samensmelting van twee kleinere witte dwergen. Hij is volgens de waarnemingen 1,35 keer zo zwaar als de zon en dat zit gepropt in een bol die iets groter is als onze maan (4300 km om precies te zijn, zie de afbeelding) – ter vergelijking: de meeste witte dwergen zijn net zo zwaar als de zon en hebben een volume zo groot als dat van de aarde. Eh… ZTF J1901+1458 is de kleinste, maar ook zwaarste witte dwerg, is dat niet vreemd? Nee, in het geval van witte dwergsterren niet. Dwergsterren hebben geen kernfusie, die een druk creeërt die de zwaartekracht weerhoudt, hun omvang hangt af van kwantum mechanika, met name door gedegenereerde of ontaarde elektronen. ZTF J1901+1458 werd ontdekt met de Zwicky Transient Facility, waar diverse telescopen aan meedoen, zoals het Caltech’s Palomar Observatorium in Californië. Sterren tot een massa van acht keer die van de zon worden eerst een rode reus en daarna uiteindelijk een witte dwergster. In het geval van ZTF J1901+1458 waren er oorspronkelijk twee kleine witte dwergen en die spiraliseerden langzaam maar zeker naar elkaar toe tot ze uiteindelijk botsten en samensmolten.

Impressie van twee witte dwergen die naar elkaar toe spiraliseren. Credit: Caltech/IPAC/R. Hurt

Het magnetische veld van de twee afzonderlijke dwergen werd na de samensmelting ook veel sterker. ZTF J1901+1458 heeft nu een magnetisch veld dat wel een miljard keer sterker is dan dat van de zon. Hij draait ook zeer snel rond: eens per zeven minuten. Ilaria Caiazzo (Caltech) en haar team denken dat ZTF J1901+1458 ineen kan storten tot een neutronenster. Dat zou kunnen gebeuren als in de kern elektronen worden ingevangen door protonen en de veranderen in neutronen. De druk van de gedegenereerde elektronen neemt dan af en op een gegeven moment kan de kern dan door de zwaartekracht ineenstorten tot neutronenster. ZTF J1901+1458 staat slechts 130 lichtjaar van ons vandaan en dat maakt het een goed object van relatief nabij goed in de gaten te houden. Met een geschatte leeftijd van 100 miljoen jaar is het ook een jonge witte dwerg (die kunnen vele miljarden jaar oud worden). Hier het vakartikel over deze bijzondere witte dwerg, verschenen in Nature. Bron: Keck Observatorium.

Dankzij het dynamo-mechanisme kunnen witte dwergen zeer sterke magnetische velden genereren

Impressie van een witte dwerg die materie aantrekt van een begeleidende ster. Credit: Paula Zorzi

Lang was een raadsel waarom sommige witte dwergen – sterren van pakweg de massa van de zon in een volume ter grootte van de aarde – een zeer sterk magnetisch veld hebben, wel een miljoen keer zo krachtig als dat van de aarde. De eerste magnetische witte dwerg die ontdekt werd was GRW +70 8247, in 1970 ontdekt. Een team van sterrenkundigen onder leiding van Matthias Schreiber (Núcleo Milenio de Formación Planetaria van de Universiteit van Santa María in Chili) heeft nu een oplossing gevonden voor die magnetische witte dwergen en eigenlijk is het heel simpel. Net zoals een fietsdynamo een electrisch veld genereert doordat een magneet door de fietsband gaat ronddraaien, zo gebeurt het met de aarde ook, maar dan net andersom: de vaste ijzerkern van de aarde wordt omgeven door een vloeibare mantel van ijzer en doordat beiden ronddraaien wordt een magnetisch veld opgewekt. En dat is precies wat ook in witte dwergen kan gebeuren, mits ze voldoende zijn afgekoeld. Witte dwergen ontstaan als sterren zoals de zon hun waterstof in de kern hebben opgebrand en als ook het daarop volgende stadium, dat van de rode reuzenfase, is afgelopen. Ze zijn dan zeer heet en bestaan uit vloeibare koolstof en zuurstof. Na miljarden jaren kan de kern zover afgekoeld zijn dat deze begint te kristalliseren. Dán lijkt de witte dwerg op de aarde: een vaste kern met een vloeibare mantel. Als de mantel dan sneller gaat ronddraaien, bijvoorbeeld door de toevoer van materie vanuit een begeleidende ster (zie afbeelding hieronder), dan kan het magnetisch veld van de witte dwerg veel sterker worden.

Voorstelling van het dynamo-model van de witte dwergen (bovenaan beginnend en dan tegen de klok in). Credit: Paula Zorzi

Men wil nu het dynamo-model verder gaan verfijnen en kijken of de voorspellingen van het model overeenkomen met de waarnemingen van magnetische witte dwergen. In Nature Astronomy verscheen dit vakartikel over het dynamo-mechanisme. Bron: Phys.org.

Atlas van 1,3 miljoen dubbelsterren in de buurt van de zon gepubliceerd  

Collage van dubbelsterren in de buurt van de zon. Credit: Gaia Survey.

Doctoraalstudent Kareem El-Badry (Universiteit van Californië in Berkeley) en z’n collega’s hebben op basis van gegevens van de Europese Gaia satelliet een driedimensionale kaart gemaakt waarop maar liefst 1,3 miljoen dubbelsterren te zien zijn, die zich binnen een afstand van 3000 lichtjaar van de aarde bevinden. Pakweg de helft van alle zonachtige sterren maakt deel uit van zo’n binair systeem. Een eerdere catalogus van dubbelsterren in de buurt van de zon, gemaakt op basis van de voorganger van Gaia, de (niet meer werkende) Hipparcos satelliet, telde slechts 200 dubbelsterren (weliswaar binnen een gebied tien keer zo klein), een schril contrast met de nieuwe catalogus/kaart.

Het lichte gebied links van het centrum van de Melkweg stelt de regio voor rondom de zon met een straal van 3000 lichtjaar. Credit: Kareem El-Badry/UC Berkeley and Jackie Faherity/ AMNH.

El-Badry’s kaart geeft een goed inzicht in de evolutie van sterren, want naast zonachtige sterren zijn er ook zo’n 17.000 dubbelsteren die een witte dwerg bevatten. En veel systemen bevatten ook exoplaneten, die als Tatooine-achige planeten om de twee sterren draaien. De atlas van El-Badry bevat om precies te zijn 1400 dubbelsterren waarbij allebei de sterren witte dwergen zijn, 16.000 bevatten een witte dwerg en een andere soort ster. Voor toekomstig onderzoek wil El-Badry zich et name richten op de dubbelsterren met ‘’een of twee witte dwergen. Die zijn namelijk makkelijker te traceren qua ouderdom dan zonachtige sterren – hoofdreekssterren zoals de zon kunnen er miljarden jaren hetzelfde uitzien en dezelfde eigenschappen hebben, terwijl bij witte dwergen de oppervlaktetemperatuur een goede graadmeter voor de leeftijd is.

Het welbekende HR diagram, links van de met Hipparcos gevonden dubbelsterren, rechts van Gaia. Credit: Kareem El-Badry.

Door dat vervolgonderzoek willen El-Badry en z’n collega’s meer te weten komen over de evolutie van dubbelsteren. Zo blijkt bijvoorbeeld dat de sterren van dubbelsterren ongeveer even zwaar zijn – identieke tweelingen zoals hij ze noemt. En dat is eigenlijk vreemd, want de sterren staan vaak ver van elkaar vandaag, honderden of duizenden astronomische eenheden (1 AE=afstand aarde-zon, 149 miljoen km), dus je zou eerder verschillende sterren verwachten met willekeurige massa. Kennelijk ‘weten’ de compagnons elkaars massa en beïnvloeden ze die wederzijds. Wellicht stonden ze eerder in hun ontstaansperiode dichter bij elkaar, maar zijn ze door gravitationele invloeden verder uit elkaar gedreven. Hier is het vakartikel over de atlas van nabije dubbelsterren, gereed voor publicatie in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Bron: Science Daily.

Kunnen witte dwergen helpen het kosmologische lithiumprobleem op te lossen?

Impressie van planetoïden die inslaan in een witte dwerg. Credit: NASA / JPL-Caltech.

Tijdens de oerknal waarmee 13,8 miljard jaar geleden het heelal ontstond werden in de eerste drie minuten door oerknal-nucleosynthese de lichte elementen waterstof, helium, deuterium en lithium gevormd. Van de eerste drie elementen komt de theoretische berekende hoeveelheid (‘abundantie’) goed overeen met de waargenomen hoeveelheid. Alleen met lithium is er een probleem, met name lithium-7, dat volgens de meeste oerknal-modellen drie keer zoveel zou moeten zijn geproduceerd dan is waargenomen. Dat wordt het kosmologische lithiumprobleem genoemd. Het lastige van lithium is dat het moeilijk te detecteren valt in de atmosferen van sterren middels spectrografie. Maar recent is een team sterrenkundigen van de Universiteit van North Carolina erin geslaagd om lithium aan te treffen in de atmosfeer van een paar witte dwergen, compacte kleine sterren die in een vorige fase uit hun leven zonachtige sterren zijn geweest.

De SOAR telescoop (credit: UNC-Chapel Hill).

Voor hun onderzoek maakten ze gebruik van de Goodman-Spectrograaf verbonden aan de ‘Southern Astrophysical Research’ (SOAR) telescoop van het Cerro Tololo Inter-American Observatorium in Chili. Daarmee konden ze de atmosfeer van twee oude witte dwergen bestuderen, beiden zo’n negen mijard jaar oud (de zon is vijf miljard jaar oud). Het lithium dat ze in de atmosfeer vonden is volgens de sterrenkundigen ontstaan doordat grote lithiumrijke planetoïden massaal insloegen in de witte dwergen en zo diens lithium-abundantie vergrootten. Hier het vakartikel over het onderzoek aan lithium in de witte dwergen, verschenen in Science. Bron: UNC at Chapel Hill.

Mangaan vertelt ons meer over de oorsprong van type Ia supernovae

Twee modellen van een type Ia supernova, boven van een hoofdreeksster of rode reus als compagnon van de witte dwerg, onder met een andere witte dwerg als compagnon. Credit: Kavli IPMU / Chiaki Koba-yashi et al

Door goed te kijken naar het element mangaan in onze Melkweg heeft een team van Kavli IPMU en California Institute of Technology meer inzicht gekregen in de oorsprong van type Ia supernovae. Dat zijn supernovae die ontstaan in binaire systemen, waarin één van de sterren een witte dwerg is, een compacte ster vooral bestaande uit koolstof en zuurstof met de massa ongeveer van de zon. En de andere ster van het systeem? Dat is nou juist het grootste raadsel, waar alle sterrenkundigen nieuwsgierig naar zijn, maar waar nog geen duidelijkheid over is. Bij de explosie van Ia supernova worden ook ‘metalen’ geproduceerd, elementen die zwaarder zijn dan helium, elementen zoals mangaan (Mn), nikkel (Ni) en ijzer (Fe). Die metalen, geproduceerd door vroegere supernovae, komen in de interstellaire ruimte terecht en zo uiteindelijk weer in nieuwe sterren. Door de hoeveelheden van die elementen te meten in de spectra van sterren komen sterrenkundigen meer te weten over de eigenschappen van die vroegere supernovae, zoals fossielen archeologen iets vertellen over het vroegere leven op aarde.

De metingen van de hoeveelheid zuurstof (links) en mangaan (rechts) bij sterren in de buurt van de zon. Credit: Kavli IPMU / Chiaki Kobayashi et al

Zodra een witte dwerg door massatoevoer van z’n onbekende partner zwaarder wordt dan de Limiet van Chandrasekhar (1,4 zonsmassa – genoemd naar de indische natuurkundige Subrahmanyan Chandrasekhar, die er in de jaren dertig van de vorige eeuw mee aan kwam) dan explodeert ‘ie. Er zijn twee scenario’s voor zo’n massatoevoer en daaropvolgende explosie: het “single degenerate scenario” als de compagnon een hoofdreeksster of rode reus is, leidend tot een “near-Chandrasekhar-mass white dwarf“, en het “double degenerate scenario” als beide sterren van het binaire systeem een witte dwerg zijn, leidend tot een “sub-Chandrasekhar-mass white dwarf” (excuus voor alle Engelse termen). De sterrenkundigen, die onder leiding stonden van Chiaki Kobayashi, hebben de scenario’s onderzocht en daarbij bleek dat met name het element mangaan een belangrijk onderscheid vormt. Uit de simulaties én waarnemingen aan de hoeveelheid mangaan in het Melkwegstelsel blijkt dat minstens 75% van alle type Ia supernovae ontstaat door een “near-Chandrasekhar-mass white dwarf”, dus door een witte dwerg met een hoofdreeksster of rode reus als compagnon. Hier het vakartikel, waarin alles toegelicht wordt, verschenen in the Astrophysical Journal. Bron: IPMU.

Voor het eerst is een intacte grote planeet ontdekt bij een witte dwerg

Impressie van WD 1856 b bij z’n ster, de witte dwerg WD 1856+534. Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center

Het is sterrenkundigen voor het eerst gelukt om een grote exoplaneet te vinden die draait om een witte dwerg. De witte dwerg in kwestie heet WD 1856+534,80 op lichtjaar afstand van ons vandaan in het sterrenbeeld Draak, en de planeet die er omheen draait is maximaal 13,8 keer zo zwaar als Jupiter. Maak je daar even een voorstelling van: een planeet vele malen groter dan Jupiter, die in 34 uur een omwenteling maakt om de witte dwerg, een uitgebluste ster, slechts 18.000 km in diameter (40% groter dan de aarde), maar met de massa van de zon. Het is niet voor het eerst dat men een grote gasreus bij een witte dwerg vindt. Vorig jaar werd er ook al eentje ontdekt, bij de witte dwerg WDJ0914+1914, maar liefst 1500 lichtjaar verderop. Maar die exoplaneet wordt beetje bij beetje opgepeuzeld door de aantrekkingskracht van de witte dwerg. De gasreus bij WD 1856+534 is helemaal intact en dat maakt ‘m uniek.

Credit: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/J. Pollard

Sowieso is het bijzonder dat er planeten bij witte dwergen worden ontdekt, want die compacte stersoorten hebben een verleden dat niet levensvatbaar is voor planeten. Meestal treft men bij witte dwergen alleen afval aa, restanten van planeten die de vorming van de witte dwerg niet overleeft hebben. Als sterren zoals de zon door hun waterstofverbranding in de kern heen zijn – bij de zon is dat over zo’n vijf miljard jaar aan de hand – dan zwellen hun buitenlagen op en worden ze een rode reus. In het geval van de zon zal er dan van de planeten tot aan Mars weinig overblijven dan brandende sintels. Daarna stoot de reuzenster z’n buitenlagen weg, ook geen pretje voor de verder weg staande planeten, en de kern die dan overblijft is een witte dwerg. Bij de twee witte dwergen in kwestie is de reuzenplaneet – WD 1856b heet ‘ie – er kennelijk in geslaagd om die transformatie van hoofdreeksster naar rode reus en tenslotte naar witte dwerg te overleven. Men denkt dat de planeet in eerste instantie verder van de ster afstond, maar dat door interacties van WD 1856b met andere planeten z’n baan sterk elliptisch werd en dat het perihelium, het punt in z’n baan het dichtst bij de ster, erg dicht bij de ster stond. In de miljoenen (of miljarden) jaren daarna is die baan meer cirkelvormig geworden (zie de afbeelding hierboven).

Aan de waarnemingen aan WD 1856b hebben veel instrumenten bijgedragen, o.a. de TESS en Spitzer ruimtetelescopen van de NASA en op aarde de Gemini telescoop op Hawaï. In Nature verscheen dit vakartikel over de waarnemingen aan WD 1865b.

Bron: NASA.

Dichtheid van een witte dwerg is nagebootst in een ‘hohlraum’

Impressie van een opbouw van een witte dwerg. Credit: University of Warwick / M. Garlick.

Na zwarte gaten en neutronensterren zijn witte dwergen de meest compacte objecten in het heelal die we kennen. Ze hebben een massa van maximaal 1,4 keer de massa van de zon (de Limiet van Chandrasekhar) en dat zit gepropt in een volume ter grootte van de aarde. Men denkt dat witte dwergen bestaan uit koolstof en zuurstof (volledig geïoniseerd in de vorm van een dicht plasma), met een atmosfeer van waterstof en helium. De dichtheid is enorm, een miljoen keer de dichtheid van de zon, zeg 1 ton per cm³ – ding dong, één theelepel witte dwerg weegt net zoveel als een auto. En nu heeft men die dichtheid van een witte dwerg met behulp van intens laserlicht kunnen nabootsen in een laboratorium, in een ‘hohlraum’ welteverstaan. Dat is een klein gouden vat, waarin ze een klein beetje methine (CH) hebben gestopt, dat bestaat uit een waterstof- en een koolstofatoom.

Dat is ‘m, een hohlraum. Credit: Lawrence Livermore National Laboratory.

Door het methine te bestoken met intens röntgenlicht wist men de dichtheid in het vat te verhogen tot 450 miljoen atmosfeer en een temperatuur van 3,5 miljoen graden. Verhoogt men de straling dan ontstaat er een schokgolf, die met een snelheid van 200 km/s naar het centrum van de hohlraum toe beweegt. Het gebeurt allemaal in een fractie van een seconde, maar het is genoeg om meer te kunnen vertellen over de omstandigheden in een witte dwerg, om precies te zijn in één variant ervan, de zogeheten DQ witte dwerg. Dat zijn zeldzame witte dwergen die zeer heet zijn en die een atmosfeer van koolstof hebben. Dankzij de nabootsing in de hohlraum was men in staat om van dit type witte dwerg de ‘vergelijking van staat’ (Engels: equation of state) op te stellen, een formule waarin de dichtheid, druk en temperatuur van een object aan elkaar worden gerelateerd. In Nature verscheen een vakartikel over de nabootsing van een witte dwerg in een hohlraum. Bron: Koberlein.