Miljarden jaren vanaf nu, wanneer de zon in zijn laatste doodsstrijd is (dat wil zeggen, nadat hij de aarde al heeft verdampt), zal zijn heliumkern op zichzelf instorten en verschrompelen tot een strak samengedrukte bal van gloeiend gas, een witte dwerg genaamd .
Maar terwijl deze stellaire grafstenen ons galactische landschap al stippelen, blijft hun interieur een puzzel in de natuurkunde - wat geen verrassing is, gezien hoe vreemd ze zijn.
Onlangs heeft een paar onderzoekers een geavanceerd model gemaakt om de binnenkant van een witte dwerg te 'bekijken'. En raad eens? Deze kosmische excentriekelingen zouden aardse truffels te schande kunnen maken, omdat ze romige centra lijken te hebben boordevol exotische kwantumvloeistoffen.
De eens zo trotse ster
Sterren zoals onze zon halen hun energie door diep in hun kernen waterstof in helium te smelten. Deze energieproductie kan niet eeuwig duren - uiteindelijk raakt de beschikbare waterstof op en stopt het feest. Maar tegen het einde van hun leven kunnen sterren de lichten kort weer aan doen door helium te verbranden, waardoor een inerte, dode kern van koolstof en zuurstof achterblijft.
Maar kleine sterren zoals onze zon hebben niet genoeg zwaartekracht om koolstof en zuurstof te vermengen tot zwaardere elementen zoals magnesium of ijzer, en dus sterven ze, veranderen ze zichzelf binnenstebuiten en geven ze hun atmosfeer vrij in een mooie (of bloederige, afhankelijk van je oogpunt) planetaire nevel.
Die kern van koolstof en zuurstof blijft achter, een aanzienlijk deel van de massa van de ster opgesloten in een kern die niet groter is dan de aarde. Toen astronomen deze vreemde objecten voor het eerst ontdekten - nu bekend als witte dwergen - dachten ze dat ze onmogelijk waren, met berekende dichtheden die meer dan een miljard keer zo hoog waren als die van de lucht die we inademen. Hoe kan iets zo'n extreme dichtheid hebben en niet simpelweg bezwijken onder zijn eigen verschrikkelijke gewicht?
Maar witte dwergen zijn niet onmogelijk en theoretische inzichten aan het begin van de 20e eeuw hebben het mysterie opgelost van hoe witte dwergen mogelijk zouden kunnen bestaan. Het antwoord kwam in de vorm van kwantummechanica, en het besef dat de natuur bij hoge dichtheden, heel simpel gezegd, heel raar is. Bij witte dwergen kan slechts een bepaald aantal elektronen worden ingepakt. Omdat deze draaiende elektronen elkaar afstoten, creëren ze samen genoeg druk om de dode sterren op te blazen, zelfs tegen de bijna overweldigende zwaartekracht.
En dus kunnen stellaire lijken biljoenen jaren leven.
Crème gevulde centra
Hoewel deze vroege berekeningen lieten zien hoe witte dwergen in ons universum zouden kunnen bestaan, wisten astrofysici dat eenvoudige beschrijvingen niet volledig zouden vastleggen wat er in zulke exotische kernen gebeurt. Dit is tenslotte een toestand van materie die volledig ontoegankelijk is voor laboratoria en experimenten hier op aarde - wie weet wat voor vreemde spelletjes de natuur zou kunnen doen, diep in deze dode harten?
Zowel natuurkundigen als astronomen hebben zich al decennia lang afgevraagd over het interieur van witte dwergen, en in een recent artikel dat verscheen in het voorgedrukte tijdschrift arXiv, heeft een paar Russische theoretische natuurkundigen een nieuw model voorgesteld van de diepe kernen in witte dwergen, waarin wordt beschreven hoe hun model bouwt voort op en wijkt af van eerder werk en hoe waarnemers mogelijk kunnen zien of hun nieuwe model klopt.
In dit nieuwe model simuleerden de wetenschappers de kern van de witte dwerg, bestaande uit slechts één soort zwaar geladen kernen (dit is niet helemaal juist, aangezien witte dwergen een mengsel zijn van verschillende elementen zoals koolstof en zuurstof, maar het is een goed genoeg startpunt), met deze deeltjes ondergedompeld in een dikke soep van elektronen.
Deze opstelling gaat ervan uit dat witte dwergen warm genoeg zijn om een vloeibaar interieur te hebben, wat een redelijke veronderstelling is, aangezien ze bij hun geboorte (of liever, wanneer ze uiteindelijk worden blootgesteld na de dood van hun gaststerren), de temperaturen goed hebben meer dan een miljoen graden Kelvin.
De buitenste lagen van een witte dwerg worden blootgesteld aan de ijskoude omgeving van een puur vacuüm, waardoor waterstof op het oppervlak kan bezinken, waardoor ze een lichte, dunne atmosfeer krijgen. En in extreme tijden koelen witte dwergen af en vormen uiteindelijk een gigantisch kristal, maar dat is lang genoeg weg om witte dwergen voor het grootste deel te vullen met een exotische kwantumvloeistof van koolstof en zuurstof, dus het model dat in dit onderzoek wordt gebruikt, is relatief nauwkeurig voor een groot deel van de levensduur van een witte dwerg.
Kenmerkende oppervlakken
Omdat ingewanden met witte dwergen een van de meest ongebruikelijke omgevingen in het universum vertegenwoordigen, zou het bestuderen ervan enkele diepe eigenschappen van de kwantummechanica in extreme omstandigheden kunnen onthullen. Maar aangezien wetenschappers nooit kunnen hopen om een nabijgelegen witte dwerg vast te binden om hem binnen te brengen voor een vivisectie, hoe kunnen we dan een kijkje onder de motorkap krijgen?
De onderzoekers van het nieuwe model lieten zien hoe het licht van witte dwergen verschillende warmte kan zijn. Witte dwergen genereren zelf geen warmte; hun intense temperaturen zijn het resultaat van de extreme zwaartekracht die ze tegenkwamen toen ze zich in sterren bevonden. Maar zodra hun gastster wegblaast en ze worden blootgesteld aan de ruimte, gloeien ze intens - in de eerste paar duizend jaar na hun grote onthulling zijn ze zo heet dat ze röntgenstraling uitzenden.
Maar afkoelen doen ze, zo langzaam, lekken hun warmte als straling de ruimte in. En we kijken al lang genoeg naar witte dwergen zodat we ze in de loop van jaren en decennia kunnen zien afkoelen. Hoe snel ze afkoelen, hangt af van hoe efficiënt hun gevangen warmte naar hun oppervlak kan ontsnappen - wat op zijn beurt afhangt van de exacte aard van hun lef.
Een ander kenmerk dat de onderzoekers toonden dat zou kunnen worden gebruikt om in witte dwergen te onderzoeken, is hun altijd zo kleine wiebelen. Net zoals seismografie wordt gebruikt om de kern van de aarde te bestuderen, verandert de samenstelling en het karakter van een witte dwerg hoe trillingen zichzelf op het oppervlak zullen vertonen.
Ten slotte kunnen we populaties witte dwergen gebruiken om een hint te krijgen over hun interieur, aangezien de relatie tussen hun massa en hun grootte afhangt van de precieze kwantummechanische relaties die hun interieur beheersen.
In het bijzonder suggereert het nieuwe onderzoek dat de meeste witte dwergen sneller moeten afkoelen dan we dachten, iets minder vaak zouden trillen dan oudere modellen suggereren en iets groter zouden zijn dan verwacht dan wanneer we geen rekening zouden houden met dit meer realistische model. Nu is het aan de astronomen om precies genoeg metingen te doen om te zien of we deze exotische omgevingen echt begrijpen, of dat we er nog een keer op moeten letten.
- 8 manieren waarop u Einsteins relativiteitstheorie in het echt kunt zien
- 11 fascinerende feiten over ons Melkwegstelsel
- De 11 grootste onbeantwoorde vragen over donkere materie
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een Spaceman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het universum.
