Een witte dwerg kan, anders dan astronomen tot nog toe verwachtten, wel degelijk eindigen als supernova, na eerst te zijn afgekoeld tot zwarte dwerg, claimt nieuw onderzoek. En zulke explosies zouden weleens de laatste spektakels ooit kunnen zijn.
Waar zware sterren aan het eind van hun bestaan ontploffen als supernova, hebben lichte sterren zoals de zon een minder spectaculair lot. Zulke sterren eindigen als witte dwergen die langzaam bevriezen en steeds minder licht geven. Alleen het restant van de uitgebrande ster blijft over. Wanneer een witte dwerg zo ver zou afkoelen dat hij geen licht meer geeft, noemen astronomen hem een zwarte dwerg. En daar houdt het op, zou je zeggen.
Uit onderzoek blijkt nu echter dat sommige zwarte dwergen wel degelijk een supernova kunnen produceren, dankzij een effect uit de quantummechanica. Helaas zal niemand dit schouwspel kunnen bijwonen, want deze explosies zouden weleens de laatste kunnen zijn die plaatsvinden voordat het universum overlijdt.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Bevroren restant
Sterren halen hun energie uit kernfusiereacties in hun kern. Bij deze reacties smelten atoomkernen samen en worden lichtere elementen omgezet in zwaardere. Zo zet de zon, zoals de meeste sterren, waterstof om in helium. In zware sterren is de druk hoger en kunnen er ook zwaardere elementen ontstaan. Wanneer de bruikbare brandstof op is, kan er geen fusie meer plaatsvinden en legt de ster het loodje.
Hoe dit gebeurt, hangt af van de oorspronkelijke massa van de ster. Lichte sterren overlijden best vredig. Ze krimpen en eindigen als witte dwergen. Deze compacte objecten verliezen langzaam hun warmte en helderheid. Het resultaat is een bevroren, donker restant van de ster, oftewel een zwarte dwerg.
Dramatische dood
Dit duurt echter een paar triljoen jaar. Dat is langer dan dat het universum oud is. Hierdoor verwachten we niet dat er al zwarte dwergen in het universum te vinden zijn. Jacco Vink, sterrenkundige aan de Universiteit van Amsterdam, zegt dat de oudste witte dwergen nu zijn afgekoeld tot zo’n 500 tot 600 Kelvin (227 tot 327 graden Celsius).
Zware sterren sterven een dramatischere dood. Wanneer hun brandstof op is, vindt er een gigantische explosie plaats waarbij veel licht uitgestraald wordt: een supernova. De sterren eindigen – na de supernova – als een neutronenster of als een zwart gat.
In het universum dat wij kennen, hebben alleen zware sterren genoeg zwaartekracht en druk om te sterven als een supernova. In de verre toekomst kan dat echter weleens heel anders zijn. Theoretisch natuurkundige Matt Caplan van de Amerikaanse staatsuniversiteit van Illinois ontdekte namelijk dat sommige zwarte dwergen wel degelijk een supernova kunnen produceren.
Verboden reacties
Nu zou je op zich geen kernreacties verwachten in een zwarte dwerg. Die vinden immers plaats tussen atoomkernen met elk een positieve lading, die elkaar afstoten. De elektrische lading vormt dus als het ware een barrière tussen deze deeltjes. En waar in een normale ster genoeg energie beschikbaar is om de atoomkernen over die barrière heen te helpen, is dat in een zwarte dwerg niet het geval.
Toch kunnen ook in een zwarte dwerg fusiereacties plaatsvinden. Volgens de wetten van de quantummechanica is er namelijk een kleine kans dat een atoom dwars door de elektrische barrière gaat; een verschijnsel dat quantumtunnelen heet. ‘Als je lang genoeg wacht, maakt quantumtunnelen verboden reacties toch mogelijk’, zegt Caplan.
Door middel van quantumtunnelen kunnen er alsnog zwaardere elementen ontstaan in sommige zwarte dwergen. IJzer is het zwaarste element dat gevormd kan worden in de kern van de ster en bij ijzerfusie worden elektronen vernietigd. Elektronen zijn essentieel om tegenwicht te bieden aan de zwaartekracht. ‘Hoe meer ijzer de ster creëert, hoe meer elektronen vernietigd worden, hoe minder tegendruk de ster kan bieden’, legt Caplan uit. ‘De ster verliest het van zijn eigen zwaartekracht en stort binnen enkele seconden ineen. En zo krijg je een supernova.’
Het laatste spektakel
Caplan benadrukt dat niet alle zwarte dwergen zullen exploderen. Alleen de zware zwarte dwergen, die minstens 1,2 tot 1,4 zo zwaar zijn als de zon, treft dit lot. Hij berekent dat de zwaarste zwarte dwergen als laatste zullen exploderen, over ongeveer 1032000 jaar.
Daarmee zouden deze explosies weleens het laatste spektakel in ons universum kunnen zijn. ‘De quantumtunnelreacties zijn extreem traag en de massa van een zwarte dwerg is klein’, zegt Caplan. ‘Zelfs als je een miljoen jaar wacht, zie je nog geen fusie in een zwarte dwerg. Ik kan me geen spektakel voorstellen dat nog later zal plaatsvinden dan een zwarte-dwerg-supernova.’
Geen enkel leven meer
Onno Pols, sterrenkundige aan de Radboud Universiteit, vindt het een verrassend idee dat sommige witte dwergen alsnog een supernova kunnen worden, nadat ze in de zeer verre toekomst zijn afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt. ‘In het huidige heelal kunnen dit soort explosies bij witte dwergen alleen plaatsvinden als deze objecten materie opvangen afkomstig van een andere ster in een dubbelstersysteem. Hierdoor wordt de witte dwerg namelijk zwaarder. De massa van een witte dwerg kan uit zichzelf niet toenemen. Volgens de berekeningen van Caplan kan er echter op heel lange tijdschalen toch nog een verandering optreden, met een supernova tot gevolg.’
Vink is ook verrast door het onderzoek van Caplan, maar volgens hem is het wel een erg theoretische conclusie. ‘De eerste van deze explosies vinden pas plaats na 101100 jaar; dat is een 1 met 1100 nullen erachter. Het heelal is nu 1010 jaar oud.’ Pols voegt toe: ‘Onze verre nakomelingen kunnen dit dus nooit waarnemen. Alleen al doordat er tegen die tijd geen enkel leven meer mogelijk zal zijn in het heelal.’
