Einstein voor het eerst gebruikt om massa van witte dwerg te bepalen

Stein 2051 B
De waarnemingen van de witte dwerg Stein 2051 B op verschillende tijdstippen tijdens zijn beweging aan de hemel tijdens het bedekking van een achtergrondster. Astronomen hebben de beweging van de witte dwerg waargenomen en ook het door de gravitatielens afgebogen licht van de achtergrondster. Credit: STScI/NASA/ESA

De massa van de ster Stein 2051 B, een witte dwerg op een afstand van ongeveer 18 lichtjaar van de Aarde, is ongeveer 10 jaar lang onderwerp van discussie geweest. Onlangs heeft een groep astronomen een precieze meting gedaan van de massa van de ster door gebruik te maken van een kosmisch fenomeen dat voor het eerst door Albert Einstein werd voorspeld.

De onderzoekers berekenden de massa van de ster door zorgvuldig getimede waarnemingen te doen als Stein 2051 B een andere verder weg staande ster bedekte. De waarnemingen werden gedaan met de Hubble Space Telescope. Tijdens de bedekking lijkt het alsof de achtergrond ster van positie veranderd, zo te zeggen een stapje opzij doet, ofschoon de werkelijke positie aan de sterrenhemel natuurlijk helemaal niet veranderd. Deze kosmische optische illusie staat bekend als een zwaartekrachtslens en de effecten van dergelijke zwaartekrachtslenzen zijn overal in het heelal uitgebreid waargenomen, speciaal in de buurt van zeer zware objecten zoals complete sterrenstelsels. De effecten treden op doordat een zwaar object de ruimte om zich heen kan krommen en zo als een grote lens fungeert die de weg van het licht van een ver verwijderd object afbuigt. In sommige gevallen leidt dit tot de illusie dat een achtergrondster van plaats veranderd lijkt te zijn.

(Water kan ook een dergelijk vergelijkbaar fenomeen veroorzaken: zet eens een pen in een glas water en merk op dat het ondergedompelde deel van de pen van plaats veranderd lijkt te zijn ten opzichte van het deel dat nog boven water uitsteekt.)

Einstein voorspelde dat deze verplaatsingen gebruikt konden worden om de massa van individuele sterren te bepalen. Dat komt omdat de grootte van de verplaatsing van de achtergrondster wordt bepaald door de massa van de voorgrondster. Telescopen in de tijd van Einstein waren echter niet gevoelig genoeg om dit aan te tonen.

De onderzoekers achter de nieuwe studie zeggen nu dat het voor het eerst is dat de verplaatsing van een achtergrond ster is gebruikt om de massa van een individuele ster te bepalen. Er is maar één ander voorbeeld bekend van wetenschappers die de verplaatsing tussen individuele sterren hebben bepaald. Dat was tijdens de totale zonsverduistering in 1919 toen astronomen zagen dat de Zon een paar achtergrondsterren verplaatste. Deze meting was alleen mogelijk vanwege de nabijheid van de Zon tot de Aarde.

Een kosmische lens

zwaartekracht buigt sterlicht af
Deze afbeelding laat zien hoe de zwaartekracht van een object, zoals een witte dwerg, de ruimte kromt en daardoor de weg van het licht va een verder verwijderd object afbuigt. Credit: Hubble>ESA/NASA

De Algemene Relativiteitstheorie van Einstein stelde dat de ruimte flexibel is in plaats van star en dat zware objecten (zoals sterren) krommingen maken in de ruimte. Dat is te vergelijken met de kromming die een kegelbal veroorzaakt aan het oppervlak van een zachte matras. De mate waarin een object de ruimte-tijd kan krommen is afhankelijk van de massa van dat object: hoe zwaarder de kegelbal hoe dieper de indruk van de bal in de matras zal zijn.

Een lichtstraal reist normaliter in een rechte lijn door de lege ruimte maar als de straal rakelings langs een zwaar object reist dan zal de kromming in de ruimte die door dat zware object is gemaakt, de lichtstraal afbuigen van zijn voormalige rechte lijn.

Einstein toonde aan dat deze afbuiging er toe kan leiden dat er meer licht richting de waarnemer gaat, vergelijkbaar met hoe een vergrootglas diffuus licht van de Zon kan focussen in een enkele felle vlek. Dit effect zorgt er voor dat het achtergrondobject helderder lijkt te zijn, of het zorgt voor een ring van helder licht rond het voorgrondobject. Deze ring van licht noemen we een ring van Einstein.

Astronomen hebben ringen van Einstein en ook helderheidstoename’s waargenomen als zware voorgrondlenzen zoals complete sterrenstelsels, voor dit fenomeen zorgen. Deze fenomenen zijn ook waargenomen langs het vlak van ons sterrenstelsel waar individuele sterren zorgen voor het lenseffect. Het is ook al gebruikt om planeten bij andere sterren te detecteren.

In de nieuwe studie hebben astronomen voor het eerst een zogenoemde asymmetrische lens waargenomen waarbij twee sterren buiten ons zonnestelsel zijn betrokken en waarbij de positie van de achtergrondster leek te veranderen.

De mate van verplaatsing is direct gerelateerd aan de massa van het object op de voorgrond. Bij relatief lichte objecten zoals sterren is deze verplaatsing extreem klein en dus heel lastig te detecteren. In het geval van Stein 2051 B was de verplaatsing slechts 2 milliboogseconden aan de sterrenhemel. Dat komt overeen met de breedte van een dubbeltje op een afstand van 2400 kilometer.

Het meten van dergelijke kleine veranderingen vereist krachtige instrumenten zoals de hoge resolutie camera van de Hubble Space Telescope die in 2009 werd geïnstalleerd. Dit instrument maakte het ook mogelijk om het licht van de verplaatste ster, dat werd overstraald door het licht van Stein 2051 B, te zien. Dit is te vergelijken met het waarnemen van een vuurvliegje pal naast een brandende lamp.

Tussen oktober 2013 en oktober 2015 werden er 8 metingen uitgevoerd waarbij de beweging van de witte dwerg aan de sterrenhemel kon worden waargenomen tijdens het bedekken van de achtergrondster waarbij de verplaatsing optrad. De wetenschappers bepaalden ook de positie van de achtergrondster nadat de witte dwerg was gepasseerd.

Er zijn verschillende variabelen die een rol spelen bij het kunnen waarnemen van dergelijke gebeurtenissen. Zo spelen de positie van de twee sterren ten opzichte van elkaar en de Aarde, de massa en de nabijheid van het voorgrondobject, de scheiding tussen de voorgrondster en de achtergrondster en de gevoeligheid van de telescoop een grote rol. De onderzoekers stellen dat ze hebben aangetoond dat de methode werkt en dat ze op deze manier de massa van 2 tot 4 nabije sterren per jaar kunnen bepalen.

Fossielen van sterren

Witte dwergen zijn sterren die geen waterstof meer verbranden in hun kern en hun buitenlagen hebben afgestoten. De resterende massa is ineengestort tot een compacte kern die we kennen als een witte dwerg. Deze ineenstorting zorgt voor een hoge temperatuur aan het oppervlak van deze objecten waardoor ze heter kunnen zijn dan “levende” sterren.

Minstens 97% van alle sterren, inclusief onze Zon, worden of zijn al witte dwergen. Omdat het fossielen zijn van alle voorgaande generaties van sterren zijn witte dwergen ideaal om meer te weten te komen over de geschiedenis en de evolutie van sterrenstelsels zoals het onze.

De massa van Stein 2051 B is al meer dan 100 jaar onderwerp van discussie. Het huidige beeld dat wetenschappers hebben van witte dwergen zegt dat de massa en de straal van deze objecten belangrijke informatie verschaft over hoe ze zijn ontstaan, wat hun samenstelling is en uit voor voor soort sterren ze afkomstig zijn.

Eerdere metingen van de massa van Stein 2051 B stelden dat de ster voornamelijk uit ijzer bestaat maar dat leidt dan wel weer tot grote problemen omdat dit botst met geaccepteerde theorieën over sterevolutie en het ontstaan van witte dwergen. Om bijvoorbeeld een grote hoeveelheid ijzer te kunnen maken zou een ster als Stein 2051 B extreem zwaar moeten zijn maar de straal van Stein 2051 B zegt dat het object is ontstaan uit een ster die niet veel groter was dan onze eigen Zon.

Als deze metingen over de massa van Stein 2051 B correct zouden zijn dan zou dit betekenen dat astronomen terug naar de tekentafel moeten om uit te zoeken hoe een dergelijk object zou kunnen ontstaan. Astronomen realiseerden zich dat hun metingen misschien foutief zouden kunnen zijn maar ze konden dit niet aantonen.

De enige juiste manier om de massa van een ster te bepalen is te kijken hoe hij reageert met een ander zwaar object. Bijvoorbeeld in een dubbelstersysteem waar twee sterren om een gezamenlijk zwaartepunt draaien zal de zwaarste ster een grote invloed hebben op de beweging van de lichtste ster en door de interactie tussen de twee sterren te bestuderen kunnen astronomen heel nauwkeurig de massa van beide sterren berekenen. Nu heeft Stein 2051 B een begeleider maar de twee sterren staan ver van elkaar vandaan dus hun invloed op elkaar is minimaal.

De nieuwe resultaten laten zien dat Stein 2051 B in feite een hele normale witte dwerg is en dat de ster heel mooi in de algemeen geaccepteerde ontstaanstheorie past. Stein 2051 B heeft een massa van ongeveer 0,68 zonsmassa en daarmee is de witte dwerg ontstaan uit een ster die ongeveer 2,3 zonsmassa zwaar was. Bij eerdere metingen was de massa van de witte dwerg bepaald op ongeveer 0,5 zonsmassa. Er zijn niet heel erg veel witte dwergen waarvan zowel de massa als de straal heel nauwkeurig bekend zijn, aldus de onderzoekers.

Het bevestigt de relatie tussen massa en straal van witte dwergen. Het is dus goed te weten dat de theorie die astronomen gebruiken klopt.

 

Eerste publicatie: 7 juni 2017
Bron: Science, diverse persberichten