Dit zijn mogelijk de laatste explosies voordat het heelal donker wordt

Als nieuwe berekeningen over de restanten van sterren als de zon kloppen, dan eindigt alles met een serie knallen en dan een zacht geruis.

Gepubliceerd 19 aug. 2020 14:00 CEST, Geüpdatet 5 nov. 2020 06:20 CET
De Hubble-ruimtetelescoop maakte in 2012 opnamen van deze oeroude witte dwergen in de Melkweg. Deze sterren ...

De Hubble-ruimtetelescoop maakte in 2012 opnamen van deze oeroude witte dwergen in de Melkweg. Deze sterren zijn tussen de 12 tot 13 miljard jaar oud, waardoor ze tot de oudste sterren in het heelal behoren. Volgens een nieuw onderzoek zullen witte dwergen ook de laatste sterren zijn, die blijven bestaan tot ze over een onvoorstelbaar lange tijd uiteindelijk exploderen.

Foto van Beeld: NASA and H. Richer (University of British Columbia)

Het laatste hoofdstuk van de geschiedenis van het heelal is naar verwachting niet heel vrolijk. Natuurkundigen denken dat het heelal eindeloos veel miljarden jaren vanaf nu, als alle sterren zijn uitgedoofd, een koude, donkere ruimte is, waar niets noemenswaardigs gebeurt of zelfs ook maar kan gebeuren. Aangezien de ruimte zelf uitdijt en materie zich steeds meer verspreidt, komt er steeds minder energie beschikbaar. Over eindeloos veel jaar eindigt het heelal met een scenario dat bekendstaat als de warmtedood.

Maar voordat het licht definitief dooft, vindt er mogelijk nog een grote vuurwerkshow plaats. Astronomen denken dat de laatste objecten die zich in het ouder wordende heelal zullen bevinden, onder meer compacte sterren zijn, ook wel witte dwergen genoemd. Nu staat in eenartikel dat is geaccepteerd voor publicatie in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dat er in deze sterren in een onvoorstelbaar langzaam tempo toch kernfusie kan plaatsvinden, wat uiteindelijk tot supernova's leidt.

Het idee van exploderende witte dwergen is nogal verrassend, omdat wetenschappers deze opgebrande sterren meestal zien “als voor eeuwig afkoelend”, vertelt Abigail Polin, die als astrofysicus werkt bij het California Institute of Technology en de Carnegie Observatories, en die niet betrokken was bij het artikel.

Op basis van het nieuwe model is de eerste van deze wittedwergexplosies pas over minstens 101100jaar te verwachten. Dat is een 1 met daarna 1.100 nullen, een getal zo groot dat er geen naam voor bestaat. “Als je het uitschrijft, kom je uit op een hele pagina met alleen maar nullen,” vertelt auteur Matt Caplan, die als astrofysicus werkt aan de Illinois State University. (Het heelal is op dit moment niet meer dan slechts 13,7 miljard jaar oud.)

“We denken meestal niet in dat soort tijdschalen,” beaamt Polin. Maar als Caplan gelijk heeft, zijn deze explosies de laatste grote astrofysische fenomenen voordat het donker definitief zijn intrede doet.

Gevoed door kosmische gassen

Sterren stralen doordat in hun kern waterstof en helium fuseren. Als alle waterstof is opgebruikt in een gemiddelde ster, met ongeveer de omvang van onze zon of nog iets zwaarder, heeft deze onvoldoende energie om zijn eigen zwaartekracht tegen te gaan. De kern krimpt ineen terwijl de buitenste lagen juist steeds verder uitdijen. Naarmate de kern kleiner wordt, lopen de druk en de temperatuur op, waardoor zwaardere elementen fuseren. De ster ontdoet zich uiteindelijk van zijn buitenste lagen. Het overblijfsel is een klomp materie met een extreem grote dichtheid en een doorsnee van slechts enkele duizenden kilometers: een witte dwerg.

De opnamen van deze witte dwergen werden in 2006 gemaakt tijdens een ruimteverkenning door de Hubble-ruimtetelescoop.

Foto van Beeld: NASA, ESA, A. Calamida and K. Sahu (STScI), and the SWEEPS Science Team

In de loop van biljoenen tot honderden biljoenen jaren stralen witte dwergen alle overgebleven warmte uit. De bevroren restanten worden soms zwarte dwergen genoemd. Zwarte dwergen zijn koud en klein, waardoor ze gedurende een enorme periode stabiel blijven. Maar uit de berekeningen van Caplan blijkt dat er toch nog steeds kernfusie mogelijk is, dankzij een fenomeen dat bekendstaat als kwantumtunneling.

Alle atoomkernen in het centrum van een zwarte dwerg zijn positief geladen, waardoor ze elkaar afstoten als magneetpolen. Maar volgens de kwantumtheorie gedragen de kernen zich tegelijk als een golf en als een deeltje. Dankzij hun golfachtige eigenschappen zal het zo nu en dan gebeuren dat een atoomkern door de afstotingsbarrière van een naastgelegen atoomkern met dezelfde lading “tunnelt”.

“Wij beschouwen witte dwergen als objecten waar helemaal niks gebeurt,” vertelt Marten van Kerkwijk, een astrofysicus aan de University of Toronto die niet bij het onderzoek was betrokken. “Het is echt gaaf om te bedenken dat er nog steeds fusie plaatsvindt in deze stille, dode sterren.”

Volgens Caplan leveren de supertrage kernfusiereacties in de loop van vele biljoenen jaren het zware element ijzer op. Bij het proces komen ook positronen vrij, die gelijk zijn aan elektronen maar een positieve lading hebben. Als deze positronen in de kern van de ster op elektronen stuiten, heffen ze elkaar op. Zonder deze elektronen en de druk die zij uitoefenen, is de witte dwerg niet in staat de zwaartekracht het hoofd te bieden. De ster krimpt net zolang in tot deze naar buiten ‘terugveert’ met een explosie, die lijkt op een traditionele supernova.

Caplan merkt op dat een dergelijke explosie alleen kan plaatsvinden bij de zwaarste witte dwergen, met een massa van meer dan ongeveer 1,2 keer die van onze zon. Toch zal ongeveer één procent van de ongeveer 1023 sterren die op dit moment bestaan het lot van een wittedwergexplosie ondergaan, stelt hij.

De zwarte dwergen waar de kernfusie in stilte plaatsvindt zenden voor de explosie geen enkel zichtbaar licht uit. “Die zou je niet eens zien als ze pal voor je staan, totdat ze exploderen,” stelt Caplan.

Als de materie zelf echter onstabiel is zou een dergelijk traag fusieproces zich niet kunnen voltrekken, omdat de restanten van sterren, zoals witte dwergen, daarvoor niet lang genoeg zouden bestaan. Fysici vermoeden dat subatomaire bouwstenen van materie, protonen genoemd, mogelijk vervallen in de loop van een enorm lange tijd - tussen de 1031 tot 1036 jaar. Als dat het geval zou zijn, verdampen witte dwergen voordat ze de kans krijgen om te exploderen.

Maar zo lang er protonen zijn, “lijken de natuurkundige principes van het artikel van Caplan, en zijn resultaten, te kloppen,” aldus Fred Adams. Hij is astrofysicus aan de University of Michigan en coauteur van het boek The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity, dat in 1999 uitkwam en waarin de toekomst van het heelal wordt besproken.

Op dit moment is de warmtedood de meest algemeen geaccepteerde theorie over het einde van het heelal, maar er doen onder astrofysici ook een aantal alternatieven de ronde. Het zou kunnen dat het heelal ineenstort, waarbij alle materie wordt samengebald in één enkel punt, waarna een volgende big bang plaatsvindt. Of misschien leidt de steeds snellere uitdijing van het heelal tot de vernietiging van de ruimte zelf, waardoor alle afzonderlijke atomen uit elkaar zullen worden gescheurd.

De laatste lichten in een eindeloos duister

Tegen de tijd dat de witte dwergen ermee ophouden, is het heelal onherkenbaar veranderd. De structuur van sterrenstelsels is verdwenen en de overgebleven resten van sterren schieten vrijelijk door de ruimte. Zelfs de grootste zwarte gaten die we kennen zijn over 10100 jaar waarschijnlijk verdampt, door een proces dat bekendstaat als Hawkingstraling. Hoewel dit nog ongelooflijk lang duurt, stelt die periode nog niks voor vergeleken met de tijdschaal van de wittedwergexplosies.

Door de donkere energie (de mysterieuze kracht die de zwaartekracht teniet doet en alles van alles wegduwt) zijn alle overgebleven objecten, inclusief witte dwergen, zo ver uit elkaar gedreven dat er vanaf het ene object geen enkel ander object te zien is.

Omdat er geen sterren meer zijn die warmte produceren, is het uiterst onwaarschijnlijk dat er dan nog enige vorm van leven is. Maar mocht er toch een levend wezen zijn, dan zou dat slechts één wittedwergexplosie kunnen waarnemen. Alle andere explosies zouden buiten zijn of haar ‘kosmische horizon’ plaatsvinden: de maximale afstand waarover enige informatie, waaronder ook het licht, waar te nemen is.

Hoewel een periode van 101100 al elk voorstellingsvermogen te boven gaat, zou dat nog maar het begin van het einde zijn, het moment waarop de zwaarste witte dwergen exploderen. Voor de lichtere duurt het nog langer, tot zo'n 1032.000 jaar, volgens de berekeningen van Caplan. Deze knallen kunnen de warmtedood van het heelal niet tegenhouden. De exploderende witte dwergen zijn mogelijk de laatste levenstekens van de kosmos.

‘Daarna is het heelal voor eeuwig koud en donker en triest,” aldus Caplan. “Tenzij er andere fysische principes zijn die we nog niet hebben ontdekt.”

Dan Falk (@danfalk) is een wetenschapsjournalist die vanuit Toronto werkt. Hij schreef onder meer The Science of Shakespeare en In Search of Time.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

Lees meer