Het stralende levenseinde van zon-achtige sterren

C. de Jager

PLANETAIRE NEVELS

WAAROM PLANETAIRE NEVELS?• Ze hebben toch niets met planeten te maken?• Het zijn gaswolken• Maar, gezien door een niet te grote en niet te goede telescoop zien sommige ronde vlekjes

er uit als een planeetje• Zo heeft de ontdekker van de planeet Uranus, William Herschel, omstreeks 1784 even

gedacht een nieuwe planeet te hebben ontdekt toen hij een rond object in zijn kijker zag

•

IS DIT EEN PLANEET OF EEN GASNEVEL?

WIE WAS HERSCHEL?

• Friedrich Wilhelm Herschel een Duitse muzikant uit Hannover

• Hannover’s vorst was de Britse koning George II

• Zo raakten Wilhelm en zijn broer in Engeland, waar William o.m. hoboïst werd

• Hij ontwikkelde daar, naast zijn muziek, ook kennis van de sterrenkunde, bouwde meer dan honderd telescopen

• Ontdekte de planeer Uranus in maart 1781 en bedacht de naam planetaire nevel

• Werd lid van de Royal Society, werd benoemd tot ‘the King’s astronomer’ en kreeg veel meer eerbewijzen

HERSCHEL’S 40 VOET TELESKOOP

DE SPECTROSCOOP GAF UITSLUITSEL

• De spectroscopie werd ontwikkeld in de 19e eeuw

• Een vaste stof of een ster heeft een continu spectrum

• Een gas heeft een lijnenspectrum; de golflengte van de lijnen toont over welke gassen het gaat

• Huggins (augustus 1864) maakte spectra van enkele planetaire nevels en vond dat deze objecten gasvormig zijn

• Zo werd Herschel’s vermoeden bevestigd, dat we met gasnevels te maken hadden

Enkele voorbeelden.

Ze zijn niet alle bolrond

PLANETAIRE NEVELS IN SOORTEN

DE CITROEN NEVEL

DE HALSBAND NEVEL – SCHIJFVORMING? NIET BOLVORMIG?

RINGNEVEL IN DE LIER (MESSIER 53; OOK GEEN BOL)

DE NEVELS EXPANDEREN – ZE WORDEN LANGZAAM GROTER – OM EEN HETE STER

• Zetten uit met snelheden van enkele km/sec

• Massa is ~ 0,1 tot 1 zonsmassa; afmeting ongeveer een lichtjaar (10 biljoen km)

• In het midden een kleine, hete ster

• Gastemperatuur is ca. 10 000 graden, maar kan hoger zijn

• Nabij de centrale ster is de temperatuur van het gas in een enkel geval ongeveer 100.000 graden

DE CENTRALE STER BLIJKT EEN HETE WITTE DWERG TE ZIJN !

• Witte dwergen zijn eindfasen van de evolutie van sterren met massa’s als die van de zon

• Dit leidt direct naar de vraag of die eindfase gekoppeld kan zijn aan het ontstaan van planetaire nevels

• Als dat zo is, hoe gaat dat?

• We bezien nu eerst de evolutie van de zon en vergelijkbare sterren

Interstellaire gaswolken zijn de broedplaatsen van sterren; gaswolken krimpen samen door

de aantrekkingskracht

STERREN ONTSTAAN DOOR SAMENKLONTEREN VAN

INTERSTELLAIR GAS

IN DE ORION NEVEL WORDEN VEEL STERREN GEBOREN

HET CENTRALE DEEL VAN DE ORION NEVEL; STERREN VERSCHOLEN IN SAMENKRIMPENDE GASWOLKEN

DAARIN ONDER MEER HET TRAPEZIUMSTELSEL; EEN ONSTABIEL STELSEL DAT NIET LANG KAN BESTAAN; GETUIGE VAN DE JEUGD

DONKERE WOLK: STOF . IN HET LICHTENDE DEEL ZIJN AL EEN OF MEER STERREN GEBOREN

IN W40 ZIJN 600 JONGE STERREN GETELD (DE GESLOTEN GASSLIERTEN ZIJN RESTEN VAN SUPERNOVA EXPLOSIES)

STERRENBEELD ORION OMRINGD DOOR RESTEN VAN SUPERNOVA EXPLOSIES

Een grafiek waarin de helderheid van elke ster is uitgezet tegen de

oppervlaktetemperatuur of de kleur – elke ster één puntje

HERTZSPRUNG-RUSSELL DIAGRAM BESCHRIJFT LEVENSLOOP VAN STERREN

HOOFDREEKS EN RODE-REUZENTAK VOORBEELDEN: ZON OP HOOFDREEKS; BETELGEUZE IS RODE REUS

DE EERSTE 20 MILJOEN JAREN VAN DE ZON: HET PAD IN HET HERTZSPRUNG-RUSSELL DIAGRAM. PRE-ZON LOOPT NAAR HOOFDREEKS EN WORDT EEN ECHTE STER

DE ZON BLIJFT DAARNA BIJNA 10 MILJARD JAAR OP OF NABIJ DE HOOFDREEKS. LICHT ONTSTAAT DAN UIT KERNFUSIE: DE WATERSTOF-HELIUM REACTIE

ALS WATERSTOF MINDERT STIJGT CENTRALE TEMPERATUUR – GEVOLG: STER STRAALT FELLER EN KLIMT IN HET HR DIAGRAM OMHOOG RICHTING RODE REUZEN TAK

ZIJSTAPJE: DE EVOLUTIE VAN STERREN VAN DIVERSE MASSA’S

NA ONGEVEER TIEN MILJARD JAAR IS DE ZON EEN RODE REUS GEWORDEN, AARDE EN MARS ZIJN OPGESLOKT

BETELGEUZE: VOORBEELD VAN EXTREME RODE REUS

Als de brandstof opgeraakt is kan de zon niet meer stralen; de stralingsdruk verdwijnt en de ster stort

ineen. We beschrijven dit voor sterren met massa’s tussen ca. 0,8 en 8 maal die van de zon

LAATSTE FASE: GEEN BRANDSTOF MEER

DE STER STORT INEEN TOT EEN WITTE DWERG. EEN VOORBEELD DAARVAN: DE SIRIUS BEGELEIDER

WAT IS EEN WITTE DWERG?• Een ster met massa als van de zon en omvang als van

de aarde.

• Gevolg is grote zwaartekracht aantrekking en grote dichtheid, tot meer dan 1 miljoen kg per liter.

• Het zijn sterren met uiterst ineengedrukte en daardoor dunne maar zeer dichte atmosferen

• Geen kernfusie; ster straalt nog wel een beetje door ineen te krimpen: ’val-energie’.

EXPLOSIE BIJ HET INEENSTORTEN

• Bij het ineen storten ‘valt’ gas naar het centrum

• Waar blijft die val-energie?

• Wordt deels gebruikt voor verhitten van de ster

• Een ander deel wordt omgezet in explosie-energie. Daardoor worden de buitenlagen weggeblazen

• Een zich uitbreidende gaswolk vormt zich om de ster: de planetaire nevel

SCHETS VAN DE EVOLUTIE VAN DE ZON

“… wat is het toch treurig dat mijn zo fraaie theorie ontkracht wordt door smerige

feiten” (E. Schatzman, Franse theoreticus)

ZO ONTSTAAN PLANETAIRE NEVELS. EEN FRAAIE THEORIE MAAR …

DE HELIX NEVEL. MEER DAN ÉÉN EXPLOSIE?

NOGMAALS DE RINGNEVEL. VEEL ZWAKKE EXPLOSIES VOORAFGAAND AAN DE EINDEXPLOSIE

HET ‘KOSMISCH OOG’: GEEN BOLVORMIGE EXPLOSIE

ABELL 78 ASYMMETRISCH EN MEERVOUDIG

NGC 6543 DE KATOOG NEVEL; MINSTENS DRIE EXPLOSIES

NGC 6326

NGC 7027

DE SATURNUSNEVEL

ABELL 35 NEVEL MET ‘BOEGGOLF’?

NGC 1650

DE ESKIMO NEVEL

Er kunnen meerdere explosies plaats vinden bij (en voor?) het ontstaan van een witte dwerg

De explosie hoeft niet bolvormig te zijn

Dus: (1) niet eenmalig, (2) niet bol-symmetrisch

WAT DEZE NEVELS ONS LEREN

Magneetvelden of de aanwezigheid van een begeleider/dubbelster kunnen asymmetrische

vorm van gaswolk wel verklaren

ASYMMETRIE IS WEL TE VERKLAREN

FLEMING-1, EEN NEVEL OM EEN DUBBELE WITTE DWERGSTER

DUBBELE WITTE DWERG !

• Er was dus eerst een paar ‘gewone’ sterren

• Ze draaiden om elkaar: een dubbelster

• Aan het eind van hun levens werd de een na de ander een witte dwerg

• Tenminste een van de twee dwergen is blijkbaar heet genoeg om de nevel tot lichten te brengen

• De onderlinge aantrekking verklaart de vreemde vorm van de nevel

Is dit wel te verklaren? Bekijk nu in detail de energieproductie in een

oude zonachtige ster

EEN NIET-EENMALIG PROCES

WAT GEBEURT ALS WATERSTOF OPGERAAKT IS?

• De kern van de ster bestaat dan uit heliumgas

• In een zon-achtige ster kan dit niet verder fuseren – temperatuur is daarvoor te laag

• De ster-kern produceert dus geen stralingsdruk meer en stort dus ineen: gaswolk om ster

• Maar dan wordt ook de temperatuur van het binnenste hoger; wat gebeurt nu?

TOCH WEER KERNFUSIE !

• Als de temperatuur gestegen is tot ca. 200 miljoen graden zal helium toch gaan fuseren en wel tot koolstof en nabij de ster-kern gaat waterstof weer fuseren: schilfusie.

• Sterke stralingsdruk doet buitenlagen van de ster opzwellen; deel van het gas wordt weggeblazen – zo ontstaat weer een klein planetaire nevelschilletje

• Tegelijk is de ster heter geworden; fusie gaat versneld door; Ook in de kern begint He te fuseren tot C

• Het heliumgas in de ster-kern raakt snel op

KERN STORT IN; SCHILBRONFUSIE

• Als alle helium in de kern in koolstof is overgegaan wordt daar geen straling meer geproduceerd: temperatuur is daarvoor te laag

• Ster-kern stort opnieuw ineen

• Dan gebeurt weer hetzelfde: opblazen van de ster doet weer een planetaire nevel schil ontstaan.

• De geproduceerde hitte doet stertemperatuur toenemen : heliumfusie in een schil om de kern

LAATSTE FASE: HETE WITTE DWERG

• In de laatste fase zijn alle fusiemogelijkheden uitgeput (althans: voor sterren niet zwaarder dan 8 maal de zon)

• Dan stort de ster-kern verder ineen, wordt een hete witte dwerg

• Een nevelschil ontstaat als de buitenlagen voor het laatst worden weggeblazen

Aan het levenseind van een zon-achtige ster ondergaat deze een reeks van krachtige explosie-achtige pulsaties; elk daarvan kan leiden tot uitzending van een gaswolk en

zo een nevelschil doen ontstaan

SAMENGEVAT: EEN REEKS VAN ENKELE FORMIDABELE PULSATIES

SCHEMATISCH IN HET H-R DIAGRAM

De verdere levensgeschiedenis van nevel en ster

DE PLANETAIRE NEVEL

HETE STER DOET DE NEVEL STRALEN

• Zolang de centrale ster heet genoeg is zal de ultraviolette straling daarvan de nevel tot emissie brengen

• Maar wanneer de energie van de fotonen van de ster te klein is geworden (als ster afgekoeld is) kunnen de atomen van de nevel niet meer tot stralen gebracht worden

• Dit is na 3000 tot 6000 jaren al het geval

• Een planetaire nevel is dus slechts korte tijd te zien

PLANETAIRE NEVEL OM HETE (140 000 K) WITTE DWERG

: MOOI VOORBEELD: ABELL 30 TOONT MINSTENS TWEE EXPLOSIES

• Afstand en verwijderingssnelheid van een buitenste nevelschil tonen dat deze schil 12 500 jaar geleden ontstond

• Werd ca. 7500 jaar geleden ‘dus‘ onzichtbaar

• Nieuwe explosie ca. 850 jaar geleden

• Nieuwe nevel ontstond en ook de ‘oude’ werd door UV licht van de ster weer zichtbaar

ABELL 30: MINSTENS TWEE EXPLOSIES

Zal heel langzaam afkoelen; wordt gele en daarna rode dwerg en verdwijnt na tientallen miljarden jaren uit het zicht

WAT GEBEURT MET DE WITTE DWERG?

SLOTVRAAG: WAAROM DIE GRENZEN VAN 0,8 EN 8 MAAL DE ZONSMASSA?

• Sterren lichter dan 0,8 zonsmassa krimpen wel als de hoeveelheid kernbrandstof uitgeput is maar kunnen niet ineen storten tot een witte dwerg; daar is te weinig massa voor aanwezig

• Vermoedelijk worden dit de ‘bruine dwergen’

DE BOVENGRENS VAN 8 ZONSMASSA’S

• In sterren zwaarder dan 8 zonsmassa’s wordt ten slotte de temperatuur in het centrum zo hoog dat zelfs koolstof en helium fuseren tot nog zwaardere elementen, zoals zuurstof, neon, en zelfs tot silicium, magnesium en meer …

• Daarna imploderen ze: een supernova en over blijft een neutronenster. Daarvan is de dichtheid ongeveer een miljard maal zo groot als die van een witte dwerg

NOG EEN ANDERE GRENSMASSA: 40 ZONSMASSA’S

• Sterren zwaarder dan ca. 40 zonsmassa’s worden na de eindexplosie een zwart gat; daaruit ontsnapt materie noch licht

• Hun ‘ontsnappingssnelheid’ is namelijk groter dan die van het licht

DANK U !