Wat is het dichtste object in het heelal? Het helderste? Het luidste? In zijn nieuwe boek Extreme Cosmos (Perigee, 2012), onthult astronoom Bryan Gaensler de kosmische recordhouders van deze en vele andere titels. In een fragment uit het hoofdstuk “Extremes of Temperature,” legt Gaensler de fysica uit achter enkele van de heetste sterren die we kennen:
We weten allemaal dat als je iets verhit, het gaat gloeien. Een pook in een vuur gloeit dof oranje of rood, terwijl een conventionele gloeilamp werkt door een wolfraamdraad tot enkele duizenden graden te verhitten, zodat hij geel of wit opgloeit. Dit zijn speciale gevallen van een universeel proces dat voor het eerst goed is uitgelegd door de Duitse natuurkundige Max Planck: Vrijwel elk voorwerp (op aarde of in de ruimte) straalt licht uit, en de kleur van dit licht hangt samen met de temperatuur van het voorwerp.
We kunnen dit effect, dat bekend staat als “Planck’s wet van zwarte straling”, in actie zien wanneer we naar de verschillende kleuren van sterren kijken. Onze zon is een redelijk gemiddelde ster. Haar oppervlaktetemperatuur van 9.900 graden F resulteert in een gelig licht, precies zoals de vergelijkingen van Planck voorspellen.
Betelgeuse, een heldere ster in het sterrenbeeld Orion, is veel koeler, ongeveer 6.900 graden F, en heeft dus zelfs met het blote oog een gemakkelijk te herkennen rode tint. De helderste ster aan de nachthemel, Sirius (ook bekend als de “Hondsster”), heeft een oppervlaktetemperatuur van ongeveer 18.000 graden F, wat hem zijn blauwachtige tint geeft.
Maar er zijn andere sterren, onzichtbaar voor het blote oog, die veel heter zijn dan Sirius. Zoals we verderop in dit hoofdstuk zullen zien, vindt de echte actie diep in de kern van een ster plaats, waar de furie van de kernfusie alle warmte en het licht van een ster genereert, tot miljarden jaren lang. Maar wanneer een typische ster eindelijk al zijn brandstof heeft verbruikt, blaast hij de meeste van zijn buitenlagen weg in een langzaam uitdijende schil van gas, waardoor de centrale kern wordt blootgelegd. Deze kern, een kleine dichte bal van helium, koolstof en zwaardere elementen, verbrandt geen gas meer door kernfusie, maar is nog steeds ongelooflijk heet. Deze stervende sintel, bekend als een “witte dwerg”, is nu een van de heetste sterren in het heelal, zo heet dat hij de omringende sluier van uitgestoten gas verlicht en een prachtige gloeiende wolk vormt die bekend staat als een “planetaire nevel.”
Hoe heet is een nieuw gevormde witte dwerg? De huidige recordhouder bevindt zich in het hart van een prachtige planetaire nevel. Deze gloeiende gaswolk, die door astronomen “NGC 6537” wordt genoemd, maar beter bekend staat als de “Rode Spinnevel”, staat op ongeveer 2000 lichtjaar afstand in de richting van het sterrenbeeld Boogschutter. (Een lichtjaar is de afstand die je in een jaar kunt afleggen als je met de snelheid van het licht beweegt, in totaal iets minder dan 6 biljoen mijl. Dus 2.000 lichtjaar is ongeveer 12.000 biljoen mijl!)
De hele 20e eeuw lang is de centrale witte dwerg in de Rode Spinnevel niet opgespoord, en zijn temperatuur bleef onbekend. Er zijn twee redenen waarom zulke sterren zo moeilijk te zien zijn. Ten eerste zijn het piepkleine objecten, begraven in de centra van gloeiende, lichtgevende, omringende wolken. Vaak onttrekt de helderheid en complexiteit van een planetaire nevel de centrale ster aan het zicht.
Maar de andere reden is dat, paradoxaal genoeg, de extreme hitte van de ster zelf de ster bijna onzichtbaar maakt. Zoals we hierboven hebben gezien, zegt de wet van Planck over de straling van zwarte lichamen dat de temperatuur van een object zijn kleur bepaalt. Sirius, met een oppervlak van 18.000 graden F, is zo heet dat hij blauw opgloeit.
Wat gebeurt er als een ster nog heter is dan de blauwe Sirius? In dat geval geldt de wet van Planck nog steeds, maar de resulterende gloed zal een kleur hebben die buiten het bereik valt waarvoor onze ogen of gewone telescopen gevoelig zijn. In het bijzonder zullen objecten die veel heter zijn dan Sirius gloeien in ultraviolet of röntgenlicht. Verschillende temperaturen, en hun verband met kleur door de wet van zwartelichaamstraling, onthullen dat schijnbaar afzonderlijke verschijnselen zoals ultraviolet licht en röntgenstraling in werkelijkheid slechts delen van het brede elektromagnetische spectrum zijn. Het elektromagnetische spectrum omvat een hele reeks verschillende kleuren, veel meer dan het licht dat wij met onze ogen kunnen zien.
Witte dwergen zitten dus diep verborgen in hun planetaire nevels, en zijn zo heet dat ze niet veel zichtbaar licht uitzenden, maar in plaats daarvan vooral ultraviolet en röntgenstraling uitzenden. Het is dus niet zo verwonderlijk dat de oververhitte ster in het centrum van de Rode Spinnevel vele decennia lang ongezien bleef. Daar kwam in 2005 een eind aan, toen Mikako Matsuura en collega’s met behulp van de krachtige Hubble-ruimtetelescoop, die zich in een baan boven de dampkring van de aarde bevindt, een minuscuul lichtvlekje identificeerden dat overeenkomt met de witte dwerg in het hart van de rode spin. In deze en volgende studies hebben astronomen de kleur van de ster nauwkeurig kunnen meten, en vervolgens hebben ze de wet van Planck voor de straling van zwarte lichamen gebruikt om de temperatuur te berekenen.
De resultaten zijn verbluffend – de oppervlaktetemperatuur van de ster in het centrum van de Rode Spinnevel is maar liefst 540.000 graden F, meer dan 50 keer heter dan de zon, en 30 keer heter dan de machtige Sirius.
Deze verbazingwekkende ster, met zijn extreme temperatuur en de spectaculaire gloeiende nevel die hem omringt, is van meer dan alleen academisch belang. Want door naar de Rode Spin te staren, zien we ons toekomstige lot. Over ongeveer 5 miljard jaar zal ook de zon geen brandstof meer hebben en zal ook zij haar buitenste lagen afwerpen. Het enige dat overblijft van onze ster en zijn zonnestelsel zal een prachtige planetaire nevel zijn, verlicht door een intens hete witte dwerg in zijn centrum.
Gedrukt uit Extreme Cosmos door Bryan Gaensler in opdracht van Perigee, een onderdeel van Penguin Group (USA) Inc., Copyright (c) 2011 door Bryan Gaensler.