Einsteins golven ontdekt

“De ruimte rimpelt om de sterren heen onder invloed van de zwaartekracht.” Dubbele massaoverdragende witte dwergen: exotische, supercompacte sterren die dicht om elkaar heen draaien met een rotvaart. Gijs Roelofs ontdekte de elfde. Ook de zestiende ontdekte de promovendus van het Institute for Mathematics, Astrophysics and Particle Physics, IMAPP en hij stuitte op de door Einstein voorspelde zwaartekrachtsgolven.

Het overgrote deel van alle sterren eindigt zijn leven als een witte dwerg: de uitgebrande, nagloeiende sintel van wat vroeger de kern van de ster was. In zeldzame gevallen staan er twee witte dwergen bij zo dicht bij elkaar dat er massa overstroomt van de een naar de ander. Ze draaien om elkaar heen zonder op elkaar te knallen en er stroomt massa van de grote, lichte naar de kleine, zware dwerg. Deze toegevoegde massa spiraliseert in een schijf naar de kleine zware dwerg toe.

“Ik ben eerst op zoek gegaan naar meer van dit soort dubbele witte dwergen. In de Sloan Digital Sky Survey vonden we een zwak object waarin helium aanwezig was. Normaal zien we dan ook veel waterstof in een dubbelster, maar aangezien dat hier geheel ontbrak leek het op een van onze systemen. Gezien de zwakte van het object zijn we gaan kijken met de grootste beschikbare telescoop, de Very Large Telescope in Chili. Met snelle spectroscopietechnieken hebben we kunnen bevestigen dat het een dubbelster is met een baanperiode van 36,37 minuten. Ook de massaverhouding tussen beide sterren klopte. SDSS J1240 was een dubbele witte dwerg, de elfde en mijn eerste!” Gijs Roelofs, onderzoeker bij het Institute for Mathematics, Astrophysics and Particle Physics (IMAPP) van de Radboud Universiteit, ontdekte ook de zestiende. Inmiddels staat de teller op twintig. Op 16 april promoveert Roelofs op zijn onderzoek.

Geboren uit stervende dubbelster
Een van de hoofdvragen van het promotieonderzoek van Gijs Roelofs was hoe de zeldzame dubbele witte dwergen ontstaan. Inmiddels vindt hij de volgende verklaring het meest plausibel: “Veel sterren worden als dubbelster geboren. Ze draaien om elkaar heen, met zeg een periode van een jaar. Als sterren hun voorraad brandstof verstookt hebben, zullen ze gaan uitdoven. Voor dat ze dat doen zwellen ze echter wel enorm op. Er blijft een zware kern over met daaromheen een wolk waterstofgas. De dovende ster is dan wel honderd keer zo groot. Dit noemen we een rode reus. De gaswolk van deze reus kan dan zijn broertje in de buurt omsluiten. Maar dat geeft wrijving! Binnen een jaar heeft de opgeslokte ster de gaswolk van de dovende ster weggesleten en dan hou je een systeem over van een nog hete kern en een ster. Als die ster vervolgens ook aan het eind van zijn leven komt, expandeert die weer en nu slijt de buurkern de tweede gaswolk weg.”

Deze theorie klopt met het feit dat er helemaal geen waterstof te vinden is in deze objecten, terwijl waterstof toch meer dan zeventig procent van de materie in het heelal uitmaakt. Alle waterstof is weggeblazen tijdens het ontstaan van de dubbele dwerg.

“Je houdt twee kernen over die nu veel sneller om elkaar heen draaien, in een uur of twee”, legt Roelofs uit. “Dan gaat de zwaartekracht zijn werk doen, twee zware objecten bij elkaar in de buurt komen steeds dichter bij elkaar omdat er volgens de Algemene Relativiteitstheorie energie wordt uitgestraald in zwaartekrachtsgolven. Meestal heeft dat fusie van de twee sterkernen als gevolg, maar bij de zeldzame dubbele witte dwergen ontstaat op een gegeven moment stabiliteit. Hun draaisnelheid is nu een kwestie van minuten en ze staan zo dicht bij elkaar dat er massa van de ene ster naar de andere stroomt.”

Geen supernova
De promovendus, die binnenkort naar het Harvard- Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge (VS) vertrekt voor postdoconderzoek, gelooft dat het hierbij blijft. “Het overstromen van de massa gaat altijd door. Wel neemt de snelheid af naarmate het verschil in massa tussen de twee dwergen afneemt.”

Eerder werd aangenomen dat de dubbele wit te dwergen uiteindelijk zouden kunnen eindigen als een supernova type 1a, maar daarvoor blijken de nu bekende witte dwergen te licht: ze wegen samen zoiets als de zon, samengebald in de grootte van de aarde. In het universum is dat klein. Paul Groot, leider van het Nijmeegse wittedwergenprogramma en sinds kort hoogleraar astrofysica, vertelt dat het werk van Gijs Roelofs laat zien dat er tien keer minder dubbele witte dwergen zijn dan eerder op grond van modellen werd aangenomen. Ook dat is een argument tegen de supernovahypothese. “Er zijn er gewoon te weinig om het aantal supernova’s te verklaren. De verhouding is zoek.”

Zwaartekrachtgolven
De algemene relativiteitstheorie van Einstein voorspelt het bestaan van gravitatiegolven: door de beweging van twee zware massa’s om elkaar wordt energie weggestraald in zwaartekrachtsgolven. Roelofs heeft van vier dubbele witte dwergen kunnen vaststellen dat er genoeg zwaartekrachtgolven ontsnappen om te kunnen meten. Daarmee zijn ze ideaal voor de LISA-satelliet. “De frequentie van deze golven past precies bij de gravitatiegolfdetector LISA die over een jaar of tien in een baan rond de zon gelanceerd wordt”, zegt Paul Groot. “Het zijn de enige objecten waarvan we nu al weten dat ze het doen. Ze zijn de testcase voor LISA. Op dag 1 dat LISA aangaat, moeten ze worden gemeten. Als dat niet zo is, werkt het instrument niet!” 

Tot die dag richt Gijs Roelofs zijn blik op andere compacte objecten. In Harvard gaat hij kijken naar bolhopen. In deze opeenhopingen van sterren kan een ander ontstaansmechanisme werken: de sterren staan hier zo dicht bij elkaar dat ze wél zomaar kunnen botsen en zo ultracompact kunnen worden.