Zo'n vijftig jaar geleden voorspelden astronomen wat het uiteindelijke lot van onze zon zal zijn. Volgens de theorie zal de zon over miljarden jaren zijn waterstofbrandstof uitputten en uitgroeien tot een rode reus, waarna hij zijn buitenste lagen afwerpt en een witte dwerg wordt. Na nog een paar miljard jaar afkoelen zal het interieur kristalliseren en solide worden.
Tot voor kort hadden astronomen weinig bewijs om deze theorie te ondersteunen. Maar dankzij de ESA's Gaia-observatoriumkunnen astronomen nu honderdduizenden witte dwergsterren met enorme precisie observeren - door hun afstand, helderheid en kleur te meten. Hierdoor konden ze op hun beurt bestuderen wat de toekomst in petto heeft voor onze zon als deze niet langer de warme, gele ster is die we vandaag kennen en waar we van houden.
De studie die deze bevindingen beschrijft, verscheen onlangs in het tijdschrift Natuur onder de titel "Kernkristallisatie en opeenhoping in de afkoelende volgorde van evoluerende witte dwergen." De studie werd geleid door Pier-Emmanuel Tremblay, een assistent-professor aan de Universiteit van Warwick, en omvatte meerdere onderzoekers van Warwick's Astronomy and Astrophysics group, de Université de Montréal en de University of North Carolina.
Als het gaat om stellaire evolutie, hebben tientallen jaren van observaties in combinatie met theoretische modellen astronomen in staat gesteld te concluderen wat er met een ster zal gebeuren op basis van zijn classificatie. Terwijl grotere sterren (zoals blauwe superreuzen) uiteindelijk supernova worden en neutronensterren of zwarte gaten worden, zullen kleinere sterren zoals onze zon hun buitenste lagen afwerpen om planetaire nevels te worden en uiteindelijk hun levenscyclus als een witte dwerg af te sluiten.
Deze ultra-dichte sterren blijven straling afgeven terwijl ze afkoelen, een proces dat miljarden jaren duurt. Uiteindelijk zullen hun interieurs koel genoeg zijn - ongeveer 10 miljoen ° C (50 miljoen ° F) - zodat de extreme druk die op hun kernen wordt uitgeoefend, ervoor zorgt dat het materiaal daar kristalliseert en vast wordt. Naar schatting zal dit het lot zijn van maximaal 97% van de sterren in de Melkweg, terwijl de rest neutronensterren of zwarte gaten zullen worden.
Omdat witte dwergen tot de oudste sterren in het heelal behoren, zijn ze ongelooflijk nuttig voor astronomen. Omdat hun levenscyclus voorspelbaar is, worden ze gebruikt als "kosmische klokken" om de leeftijd van groepen naburige sterren met een hoge mate van nauwkeurigheid te schatten. Maar bepalen wat er aan het einde van hun levenscyclus met witte dwergen gebeurt, was een uitdaging.
Voorheen waren astronomen beperkt als het ging om het aantal witte dwergen dat ze konden bestuderen. Dat veranderde allemaal met de implementatie van Gaia, een ruimteobservatorium dat de afgelopen jaren de posities, afstanden en bewegingen van sterren nauwkeurig heeft gemeten om de meest gedetailleerde 3D-ruimtecatalogus ooit te maken.
Zoals Pier-Emmanuel Tremblay, een ERC * Starting Grant Fellow, in een recent ESA-persbericht aangaf:
“Voorheen hadden we afstanden voor slechts een paar honderd witte dwergen en veel daarvan waren in trossen, waar ze allemaal even oud zijn. Met Gaia hebben we nu de afstand, helderheid en kleur van honderdduizenden witte dwergen voor een omvangrijk monster in de buitenste schijf van de Melkweg, die een reeks van initiële massa's en allerlei leeftijden omvat. ”
Voor hun studie gebruikten de astronomen Gaia-gegevens om meer dan 15.000 stellaire restanten te analyseren binnen 300 lichtjaar van de aarde. Uit dit monster konden ze een overschot in het aantal sterren (ook bekend als een opeenstapeling) identificeren met specifieke kleuren en helderheid die niet overeenkwamen met een enkele massa of leeftijd.
Deze opeenhoping, eens vergeleken met evolutionaire modellen van sterren, leek samen te vallen met het ontwikkelingsstadium waarin sterren in grote hoeveelheden warmte verliezen. Dit proces vertraagt het natuurlijke koelproces en zorgt ervoor dat de dode sterren niet meer dimmen, waardoor ze tot 2 miljard jaar jonger lijken dan ze in werkelijkheid zijn.0
"Dit is het eerste directe bewijs dat witte dwergen kristalliseren of overgaan van vloeistof naar vaste stof", legt Tremblay uit in een persverklaring van Warwick. "Vijftig jaar geleden werd voorspeld dat we door kristallisatie een opeenhoping van het aantal witte dwergen bij bepaalde lichtsterktes en kleuren zouden moeten waarnemen, en nu pas is dit waargenomen."
Dit patroon, waar helderheid niet gerelateerd is aan leeftijd, was een van de belangrijkste voorspellingen over het kristalliseren van witte dwergen 50 jaar geleden. Nu astronomen direct bewijs hebben dat dit proces aan het werk is, zal het waarschijnlijk van invloed zijn op ons begrip van in welke stellaire groeperingen witte dwergen moeten worden opgenomen.
"Witte dwergen worden traditioneel gebruikt voor het dateren van sterrenpopulaties zoals sterrenhopen, de buitenste schijf en de halo in onze Melkweg", zegt Tremblay. "We zullen nu betere kristallisatiemodellen moeten ontwikkelen om nauwkeurigere schattingen van de leeftijden van deze systemen te krijgen."
Terwijl bijvoorbeeld alle witte dwergen op een bepaald punt in hun evolutie zullen kristalliseren, varieert de tijd die nodig is op basis van de ster. Meer massieve witte dwergen koelen sneller af en bereiken sneller de temperatuur waarbij kristallisatie plaatsvindt (in ongeveer een miljard jaar). Kleinere witte dwergen, wat onze zon zal worden, hebben misschien wel zes miljard jaar nodig om dezelfde overgang te maken.
'Dit betekent dat miljarden witte dwergen in ons sterrenstelsel het proces al hebben voltooid en in wezen kristallen bollen in de lucht zijn', zei Tremblay. Ondertussen zal onze Zon deze transitie naar verwachting over nog eens tien miljard jaar ondergaan. Op dat moment zal onze zon de fase van de rode reuzentak hebben verlaten, een witte dwerg zijn geworden en het kristallisatieproces zijn begonnen.
Dit is slechts de laatste openbaring die uit de Gaia missie, die de afgelopen vijf jaar hemelse objecten in de Melkweg en naburige sterrenstelsels heeft gecatalogiseerd. Voordat de missie eindigt (naar verwachting in 2022), zijn er nog twee gegevensversies gepland, met de DR3-release gepland voor 2021 en de definitieve release nog te bepalen.
* Het onderzoek is mogelijk gemaakt dankzij financiering door de European Research Council (ERC).
