Meest recent

    Massa van ster voor het eerst gemeten met Einsteins zwaartekrachtlens

    Een team van astronomen is er voor het eerst in geslaagd de massa van een ster te berekenen met behulp van een techniek die Albert Einstein voor het eerst in 1936 voorgesteld had. De witte dwerg Stein 2051 B schoof, vanaf de aarde gezien, voorbij een verder gelegen ster, en dankzij het door Einstein voorgestelde zwaartekrachtlens-effect en nauwkeurige metingen van de Hubble ruimtetelescoop heeft men de massa van Stein 2051 B kunnen berekenen, iets waar al meer dan 100 jaar over gediscussieerd wordt.
    De witte dwerg Stein 251 B, een foto van de Hubble (foto: NASA/STScl).

    De exacte massa van een ster bepalen is niet gemakkelijk. De enige manier die we tot nu hadden om de massa van een ster te bepalen, is na te gaan hoe ze inwerkt op een ander massief lichaam, wat in de praktijk betekent dat men alleen in een dubbelster de massa kan meten.

    Een dubbelster is een systeem van twee sterren die om een gemeenschappelijk zwaartepunt bewegen, en de zwaardere ster zal in zo'n systeem een grotere invloed uitoefenen op de beweging van de lichtere ster. Door de interactie van de twee sterren gedurende geruime tijd te observeren, kunnen astronomen steeds nauwkeuriger waarden berekenen voor de massa's van de sterren.

    Stein 2051 B, een witte dwergster op z'n 18 lichtjaar van de aarde, heeft een compagnon, Stein 2051 A, maar die staat er erg ver van af. Onderzoekers hadden toch de dubbelster-methode gebruikt om de massa van de sterren te berekenen, en ze kwamen uit op 0,5 keer de massa van de zon voor Stein 2051 B. Dat botste echter met observaties van de grootte, de temperatuur en het licht dat Stein 2051B uitstraalt, die erop wezen dat het een bepaald soort van witte dwerg was die zo'n 0,67 zonnemassa's zou moeten wegen. 

    De astronomen realiseerden zich dat hun berekeningen van de massa waarschijnlijk fout waren, maar ze hadden geen enkele manier om ze te verifiëren of te verbeteren. Tot nu.

    Voorwerpen met een grote massa vervormen de ruimtetijd in hun omgeving. Ook de (relatief gezien zeer lichte) aarde doet dat, zoals te zien is op deze voorstelling van de Gravity Probe B-satelliet die om de aarde cirkelt. (illustratie: NASA)

    Zwaartekrachtlens

    De algemene relativiteitstheorie van de natuurkundige Albert Einstein vertrekt van de hypothese dat de ruimte flexibel is in de plaats van star, en dat zware objecten, zoals sterren en zeker sterrenstelsels, krommingen veroorzaken in de ruimte. Het wordt vergeleken met een zware bowlingbal die een deuk veroorzaakt in een zachte matras. De mate waarin een object de ruimtetijd vervormt, hangt af van hoe zwaar het object is. Een zwaardere bowlingbal zal een diepere indruk maken in de matras.

    Een lichtstraal gaat normaal in een rechte lijn door de lege ruimte, maar als de straal in de buurt van een zwaar object komt, werkt de kromming van de ruimte die door het zware object wordt veroorzaakt, als een bocht in de weg, en doet ze de lichtstraal afbuigen van haar rechte lijn.

    Einstein toonde aan dat deze afbuiging meer licht naar een waarnemer kan sturen, zoals een vergrootglas - een lens - het difuus licht van de zon kan focussen in een enkele felle vlek. Dit effect zorgt er voor dat het object in de achtergrond helderder lijkt, of het kan een ring van helder licht creëren rond het object in de voorgrond, die een "Einsteinring" genoemd wordt. 

    Astronomen hebben Einsteinringen en verre objecten die helderder werden, waargenomen in gevallen waar extreem zware "lenzen" in de voorgrond, zoals hele sterrenstelsels, het lenseffect creëren. In onze eigen Melkweg zien astronomen, als een ster voorbij een andere schuift, een korte "opflakkering" van de ster die het verst staat, omdat de dichterbij gelegen ster werkt als een lens, en meer van het licht van de verste ster afbuigt naar de aarde. Dit effect,  dat microlens-effect genoemd wordt, wordt gebruikt om exoplaneten op te sporen, en men zoekt er ook mee naar donkere materie, zwarte gaten en bruine dwergen.

    Deze illustratie toont hoe het zwaartekrachtveld van een witte dwerg-ster de ruimte vervormt, wat het licht van een ster ver in de achtergrond doet afbuigen, zodat het lijkt alsof die ster op een andere positie staat dan in werkelijkheid. Onderaan de illustratie de Hubble telescoop, die de afbuiging waarneemt. (illustratie: NASA/ESA/A. Feild (STScl)

    Asymmetrische lens

    Maar Einstein had ook voorspeld dat als de ster die de bron is van het licht - de verst afgelegen ster - en de ster die als lens werkt, niet exact op een lijn staan, dat dan de kromming van het licht zal maken dat de bron-ster lijkt te bewegen gezien vanaf de aarde. Dat noemt men het asymmetrisch lenseffect.

    En uit de grootte van die verschuiving, van die beweging, kunnen onderzoekers de massa afleiden van de ster die als lens werkt. Maar het effect is zo klein, en de kans dat twee sterren net niet op een lijn staan ten opzichte van de aarde, zo klein, dat Einstein dacht dat het nooit mogelijk zou zijn de massa te berekenen.

    Dat was echter buiten de Hubble telescoop gerekend. Een team van astronomen uit de VS, het UK en Canada had het idee dat de scherpe "blik" van de Hubble in staat zou kunnen zijn om zelfs zo'n kleine verschuiving te detecteren. Ze begonnen uit te kijken naar sterren die op een lijn zouden komen, en ontdekten dat Stein 2051 B, een witte dwerg-ster op slechts 18 lichtjaar van de aarde, bijna vlak voor een andere ster ging schuiven in maart 2014.  

    De astronomen verrichtten acht metingen met de Hubble tussen oktober 2013 en oktober 2015, zodat ze konden observeren hoe de witte dwerg door de hemel bewoog, de ster in de achtergrond verduisterde, en de verschuiving veroorzaakte. De onderzoekers bepaalden ook de werkelijke positie van de ster in de achtergrond nadat de witte dwerg er voorbij getrokken was. 

    De acht waarnemingen door de Hubble ruimtetelescoop van de witte dwerg Stein 2051 B die tijdens zijn reis door de hemel een achtergrondster bedekt, en de data waarop de waarnemingen gebeurd zijn (illustratie: NASA/ESA/STScl).

    Muntstuk vanop 2.400 kilometer

    Zoals gezegd hangt de grootte van de verschuiving af van de massa van het object op de voorgrond, en bij relatief lichte objecten, zoals sterren, is de verschuiving extreem klein en dus moeilijker om te zien, zo zei Kailash C. Sahu, een astronoom aan het Space Telescope Science Institute in Baltimore, en de belangrijkste auteur van de studie over Stein 2051 B.

    In het geval van Stein 2051 B was de verschuiving 2 milliarcseconden in het vlak van de hemel. Dat staat gelijk aan de doormeter van een 0,50 eurocent - zo'n 25 mm - gezien vanop 2.400 kilometer ver, zei Sahu aan Scientific American.

    Om zo'n kleine verandering te meten was een zeer krachtig instrument nodig, zoals de hogeresolutiecamera Faint Object Camera van de Hubble, die in 2009 geïnstalleerd werd. Dit instrument maakte het ook mogelijk het licht van de verplaatste verafgelegen ster op te pikken, dat ietwat verloren ging in het licht van de naderbij gelegen Stein 2051 B, iets wat Sahu vergeleek met een vuurvliegje zien naast een gloeilamp.

    De Hubble ruimtetelescoop gezien vanuit het ruimteveer Discovery in 1997.

    Normale witte dwerg

    Uit de nieuwe metingen blijkt nu dat Stein 2051 B een zeer normale witte dwerg is, waarmee er een einde komt aan de jarenlange controverse.

    De massa van de dwergster is zo'n 0,68 keer de massa van de zon, wat betekent dat ze gevormd is uit een ster die zowat 2,3 keer de massa van de zon had. En daarmee past Stein 2051 B netjes in de theorieën over het ontstaan van witte dwergen, terwijl de vorige schatting van 0,5 keer de massa van de zon tal van problemen met zich meebracht. 

    Belangrijk is ook dat men de doormeter van de ster kent, want er zijn niet veel witte dwergen waarvan zowel de massa als de doormeter bekend is. "De nieuwe meting bevestigt de relatie tussen massa en doormeter", zei astronoom Sahu aan Scientific American. "Astronomen gebruiken die theorie, en het is goed om te weten dat ze een solide basis heeft."

    Astronoom Martin Barstow van de Britse University of Leicester noemde de studie in Science Magazine "een echt elegant werkje", en "een mooie echo van een eeuw van algemene relativiteit".

    De toepassingen van de nieuwe techniek lijken voorlopig eerder beperkt, omdat het zo zelden voorkomt dat sterren bijna op een rechte lijn staan ten opzichte van de aard. Maar daar kan verandering in komen als volgend jaar de tweede sterrencataloog van de Gaia-satelliet van de ESA wordt gepubliceerd, met de exacte positie en beweging van duizenden sterren. "Het is waarschijnlijk dat we nog vele voorbeelden zullen vinden die we kunnen onderzoeken", zei Barstow.

    Het nieuwe resultaat "is op het eerste gezicht een zeer vreemd effect", zei Martin Dominik, een lid van het onderzoeksteam aan de Britse University of St.Andrews. Maar volgens hem zal de techniek "eerder vroeg dan laat in een zeer nuttige astrofysische techniek omgezet worden", zo zei hij aan Science Magazine. 

    Het is volgens het team de eerste keer dat de verschuiving van een ster in de achtergrond gebruikt wordt om de massa van een individuele ster op de voorgrond te meten. En er is zelfs maar een ander voorbeeld van onderzoekers die deze verschuiving tussen individuele sterren meten: tijdens de volledige zonsverduistering van 1919 zagen astronomen de zon enkele sterren in de achtergrond doen verschuiven. En die meting was toen enkel mogelijk doordat de zon zo dicht bij aarde staat.

    Een foto van zwaartekrachtlens G2237 + 3205, ook wel het Einsteinkruis genoemd. De foto toont vier beelden van een zeer ver staande quasar. Het feit dat we vier beelden zien wordt veroorzaakt door een relatief nabij gelegen sterrenstelsel dat werkt als een zwaartekrachtlens. De foto is gemaakt door de Faint Object Camera van de ESA aan boord van de Hubble ruimtetelescoop van de NASA. (Foto: NASA/ESA/STScl)

    Witte dwergen

    Witte dwergen zijn sterren die aan het eind van hun levenscyclus zijn gekomen, en die al hun waterstof, hun brandstof, opgebruikt hebben. In de ster vinden dus geen kernreacties meer plaats.

    Voor een ster een witte dwerg wordt, zwelt ze op tot een rode reus en stoot ze vervolgens haar buitenste lagen af in de vorm van een planetaire nevel. 

    De overblijvende massa klapt vervolgens in elkaar en vormt een kleine kern met een straal van enkele duizenden kilometer en een enorme dichtheid. Een kubieke centimeter van het materiaal, pakweg een vingerhoedje, weegt honderden ton, en het zwaartekrachtveld aan het oppervlak van een witte dwerg is enkele honderdduizenden malen sterker dan aan het aardoppervlak.

    Het ineenstorten van de kern verhoogt de temperatuur aan het oppervlak, waardoor de sterren heter licht kunnen uitstralen dan "nog levende" sterren. Aangezien ze echter een klein oppervlak hebben, stralen ze, ondanks de hoge temperatuur, 100 tot 10.000 keer minder licht uit dan de zon, en zijn ze met het blote oog niet te zien.

    Witte dwergen koelen heel langzaam af, en er moet een ogenblik komen waarop ze zo koud zijn dat ze geen licht meer uitstralen en een zwarte dwerg worden. Het afkoelen duurt echter minstens tientallen miljarden jaren, en het heelal is nog maar 13,7 miljard jaar oud, zodat aangenomen wordt dat er nog geen zwarte dwergen bestaan.

    Witte dwergen zijn enorm talrijk in het heelal, en "Minstens 97 procent van de sterren aan de hemel, de zon inbegrepen, zullen witte dwergen worden, of ze zijn het al", zo schreef professor natuurkunde aan de Embry-Riddle Aeronautical University in Florida in "Science" in een begeleidend artikel bij de vondst. "Omdat ze de fossielen zijn van alle voorgaande generaties van sterren, zijn witte dwergen de sleutel tot het op een rij zetten van de geschiedenis en de evolutie van sterrenstelsels zoals het onze."

    Het huidig beeld dat de wetenschappers hebben van witte dwergen laat veronderstellen dat de massa en de doormeter van deze objecten belangrijke informatie geeft over hoe ze gevormd zijn, waaruit ze bestaan, en uit welk soort van ster ze ontstaan zijn.

    "De nieuwe studie is een mooie toevoeging aan onze kennis van de samenstelling van witte dwergen", zo zei astronoom Martin Barstow aan Science Magazine.

    De studie over Stein 2051 B is verschenen in "Science".