‘Nieuw deeltje gevormd in witte dwergsterren’

Share Button

Al jaren is het een raadsel waarom de oudste heliumdwergen uit het zicht verdwijnen. Een exotisch kwantumproces verklaart mogelijk waarom. En nog een bonus: dit is ook de eerste waarneming van het spookachtige Higgsmechanisme in actie, als dit klopt.

Witte heliumdwergen vormen zich als van een klein sterretje de buitenste gaslagen worden gestript.

Witte heliumdwergen vormen zich als van een klein sterretje de buitenste gaslagen worden gestript.

Witte-dwergsterren zijn de uitgebrande resten van sterren, waarin alle fusiebrandstof al is omgezet. De meeste witte dwergsterren bestaan uit witgloeiende koolstof en zuurstof. De lichtste variant, met een kern van helium, ontstaat als de kleine M-sterren, rode dwergen, uitgebrand zijn. Dit type sterren is te licht om helium te kunnen omzetten in koolstof en zuurstof. Omdat een kleine ster een veel grotere levensduur heeft dan een grote ster (tot 1000 miljard jaar, ter vergelijking: ons heelal is ‘maar’ 13,5 miljard jaar oud), zijn de weinige heliumdwergen die bekend zijn, het gevolg van het opslokken van hun buitenste gaslagen door een begeleider.

Afkoelen duurt langer dan het heelal oud is
Witte dwergen produceren geen energie meer, dus koelen uiteindelijk af tot zwarte dwergen die zo koud zijn dat ze geen warmte of licht meer uitzenden. Dit afkoelen duurt echter zeer  lang[1], rond de tienduizend miljard jaar, waardoor er op dit moment nog geen zwarte dwergen zijn gevormd. Althans, denken astronomen, want de koelste witte dwerg ooit waargenomen blijkt nog een temperatuur te hebben van plm. 3600 graden Celsius (rond de 3900 K). De precieze snelheid waarmee witte dwergen hangt af van hun structuur en is vrij ingewikkeld [1], maar wordt op zich goed begrepen. Naar nu blijkt, blijken heliumdwergen zich echter onverwacht afwijkend te gedragen.

Heliumdwergen koelen veel sneller af… waarom?
Tot nu toe wordt gedacht dat helium onder hoge druk (net als andere stoffen) een elektronenvloeistof vormt. Atomen worden zo dicht op elkaar geperst dat elektronen niet meer verbonden zijn aan één atoom. Dit is een vorm van gedegenereerde materie. Als de druk nog verder toeneemt, vormen de atoomkernen een soort kristal in de zee van elektronen. De eigenschappen van dit heliumkristal bepalen hoe snel de ster afkoelt. Hoe lager de warmtecapaciteit van het kristal, des te minder hitte kan het bergen en hoe sneller het afkoelt.

Wat bepaalt de warmtecapaciteit?
Die warmtecapaciteit hangt, zoals de warmtecapaciteit van alles, af van het aantal vrijheidsgraden van de atoomkernen en elektronen in het kristal. De warmtecapaciteit van water is bijvoorbeeld zo enorm groot omdat watermoleculen op heel veel verschillende manieren intern en extern kunnen bewegen, waardoor ze veel energie op kunnen slaan. Zo kunnen de waterstof- en zuurstofatomen onderling bewegen, het molecuul kan draaien, de waterstofbruggen, waarmee watermoleculen elkaar aantrekken, geven nog een extra aantal vrijheidsgraden. Kortom: verandert de structuur van het ‘atoomkernkristal’, dan heeft dat enorme gevolgen voor de hoeveelheid warmte die de witte dwerg op kan slaan.

In feite werkt magnetische koeling ook zo. Als het magnetisch veld aan wordt geschakeld, kunnen de atomen in het materiaal veel minder verschillende kanten op trillen. Omdat de energie behouden blijft, wordt deze verdeeld over minder trillingen. De temperatuur neemt daardoor enorm toe en het materiaal dumpt zijn warmte. Als het veld weer uit wordt geschakeld, is het materiaal opeens ijskoud. Immers, de warmte wordt nu opeens uitgesmeerd over meer trillingsmogelijkheden.

Quasideeltjes in een kwantumvloeistof
Naar nu blijkt, kan het helium ook een soort Bose-Einstein condensaat vormen. Dat betekent dat de atoomkernen hun identiteit verliezen en dat het verandert in een soort vloeistof. Astrofysicus Paulo Bedaque van de universiteit van Maryland in College Park en enkele collega’s onderzoeken hoe de aanwezigheid van een dergelijk condensaat de warmtecapaciteit beïnvloedt[2]. Naar nu blijkt, kunnen heliumcondensaten extreem veel verschillende quasideeltjes vormen. Deze quasideeltjes bestaan niet werkelijk, maar zijn in feite trillingen in het condensaat. In de bekende Bose-Einsteincondensaten, die zich vormen in extreem koude stoffen, is het gedrag van quasideeltjes al goed bekend. Deze trillingen transporteren snel hitte uit het binnenste van de ster.

Bedaque en zijn groep hebben nu een quasideeltje gevonden dat de warmtecapaciteit van de kwantumvloeistof met factor honderd verkleint. De gevolgen laten zich raden: deze witte dwergsterren koelen veel sneller af. Ze denken zelfs dat deze snelle afkoeling meetbaar is.

Bewijs voor het Higgsmechanisme gevonden?
Al jarenlang breken astrofysici zich tevergeefs het hoofd waarom heliumdwergen zo snel afkoelen. Enkele jaren geleden vonden astronomen een groep heliumdwergen in een bolvormige sterrenhoop enkele duizenden lichtjaren van hier. Als de temperatuur en helderheid van witte dwergen tegen elkaar worden afgezet vinden astronomen een vloeiende lijn tot de witte dwergen niet meer zichtbaar zijn met de telescoop. Met deze heliumdwergen bleek wat vreemds aan de hand. De lijn eindigde ruim boven de detectielimiet van de Hubble-ruimtetelescoop. Om een bepaalde reden verdwenen de zwakste, koelste en oudste sterren plotsklaps uit beeld. Zou de vorming van een Bose-Einstein kwantumvloeistof, dat plaatsvindt onder een bepaalde temperatuur, inderdaad verantwoordelijk zijn voor het snelle afkoelen van witte heliumdwergen?  Dit zou inderdaad verklaren waarom de dwergen plotseling uit het zicht verdwijnen.

Ook interessant is dat in hun model gebruik wordt gemaakt van het Higgs-mechanisme om fotonen magnetische massa te geven. Dit zou dan het eerste geval zijn waarin het Higgsmechanisme daadwerkelijk verantwoordelijk is voor een waargenomen natuurkundig proces.

Bronnen
1. Greg Thompson, The Physics of White Dwarf Cooling, Universiteit van Toledo (2007)
2. Paulo Bedaque et al., Nuclear Condensate And Helium White Dwarfs, ArXiv (2011)

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

2 reacties

  1. Ed schreef:

    Als een kleine ster tot 1.000 miljard lichtjaar oud kan worden, hoe ver weg staat ie dan wel niet…

  2. de Hoon schreef:

    @1

    Uhmm …in ons Universum zijn deze dwergsterren en soortgelijken niet ouder dan de eerste vorming van sterren in ons Universum.
    Circa 12 miljard jaar dus.

    Hoe oud ons Universum word ligt aan de theorie van de Big Chill/Ripp. Eeuwige uitdijing of kritische mate van uitdijing binnen nu of miljarden jaren.
    Deze dwergsterren zullen zolang blijven branden tot ze op raken een ander einde zullen bereiken.

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger