Witte dwerg uit aardse magneet

Het is een team van onder andere Nijmeegse wetenschappers gelukt om de atmosfeer van een witte dwergster te imiteren. Daarvoor gebruikten ze de ijzersterke magneetvelden van het magneetlab in Nijmegen. Uiteindelijk kan dat misschien licht schijnen op de vraag waarom sommige van deze sterren een sterk magnetisch veld hebben en anderen helemaal niet.

door

Hoewel in Nijmegen een van de sterkste magneten ter wereld staat, verbleekt zijn kracht bij de magneetvelden die wetenschappers denken waar te nemen bij witte dwergsterren, dat zijn sterren die aan het einde van hun levenscyclus zijn gekomen. Terwijl de elektromagneet hier op aarde maximaal bijna 33 tesla haalt, schatten wetenschappers dat sommige witte dwergen velden tot wel 100.000 tesla produceren.

Witte dwerg die snel roteert

Een snel roterende witte dwerg, hier op een artistieke impressie. Casey Reed / NASA via publiek domein

Witte dwergsterren zijn relatief kleine maar zware sterren. Ze hebben de afmetingen van de aarde maar kunnen net zo zwaar zijn als de zon. In de ster vindt geen kernfusie meer plaats omdat alle brandstof is verbruikt. Daardoor koelen ze langzaam af.

Uiteindelijk eindigen veel sterren, ook onze eigen zon, als een witte dwerg. Ondanks het feit dat witte dwergen niet zeldzaam zijn herbergen ze nog verschillende raadselen. Zo is het niet bekend waarom sommige witte dwergen zeer sterke magnetische velden hebben en andere helemaal niet.

Om de fysische processen in de atmosfeer van zo’n ster beter te kunnen begrijpen zouden wetenschappers de omstandigheden graag nabootsen op aarde. Maar dat is gezien het enorme verschil in de magnetische veldsterkte vrijwel onmogelijk.

Een team van Nederlandse, Britse en Duitse wetenschappers hebben nu een oplossing. Ze pasten een chemische truc toe en maakten een stof die bij veel lagere magneetvelden precies zo reageert als de atmosfeer van witte dwergen. De bevindingen werden deze week in het tijdschrift Nature Communications gepubliceerd.

Gecontroleerde omstandigheden

Om de enorme veldsterktes te kunnen schalen naar iets wat in huidige laboratoria te onderzoeken is grepen de wetenschappers naar een alternatief voor waterstof, het materiaal waar de atmosfeer van witte dwergen vooral uit bestaat.

Het blijkt dat wanneer fosfor-atomen worden ingebouwd in silicium ze zich een beetje gaan gedragen zoals silicium. Maar omdat fosfor één elektron meer heeft dan silicium kan deze zich vrij bewegen. Een situatie die lijkt op die van waterstof, dat ook één vrij elektron heeft.

“Het enige dat anders is in dit systeem zijn de energieën waarbij alle fysische processen plaatsvinden”, zegt mede-auteur Hans Engelkamp van de Radboud Universiteit. “Die zijn een stuk lager, en dat komt goed van pas, want dat betekent dat we ze onder gecontroleerde omstandigheden kunnen nabootsen op aarde.”

Hfml9164a

Het magnetenlab HFML in Nijmegen. Radboud Universiteit

Engelkamp is enthousiast over het resultaat. “Alles lijkt te kloppen. Het verloop van het emissiespectrum dat wij waarnamen bij verschillende magneetsterktes komt overeen met dat wat wordt waargenomen bij de sterren. Ook de voorspelde theoretische waarden kloppen. Het enige is dat het silicium voor een kleine verstoring in het systeem zorgt, maar daarvan zijn we op de hoogte. Ik denk dat de dataset die we hebben gemaakt gebruikt kan worden door astronomen om hun theorieën over witte dwergen te testen.”

Nooit gehoord van witte dwergen

Ondanks het feit dat het onderzoek nu in een gerenommeerd wetenschappelijk tijdschrift verschijnt zegt Engelkamp dat het eigenlijk niet eens de bedoeling was om het onderzoek naar witte dwergen een handreiking te doen. “Ik had voor dit onderzoek zelfs nog nooit gehoord van witte dwergen! We zijn deze onderzoeksrichting opgegaan omdat het materiaal misschien ooit zou kunnen dienen als geheugeneenheid in een quantumcomputer.”

“In die richting zouden we ook verder willen gaan. Fosfor in silicium zou mogelijk kunnen dienen als het geheugen van zo’n computer. Gezien het feit dat de elektronen van fosfor erg stabiel lijken te zijn in dit materiaal.”

“Hoe we uiteindelijk toch bij witte dwergen uitkwamen? De vader van de projectleider in Engeland is een astronoom. Hij zag wel wat in ons onderzoek om ook vraagstukken in zijn vakgebied te kunnen oplossen. Grappig, hoe onderzoek naar quantumcomputers zo plotseling van nut kan zijn voor fundamenteel onderzoek aan sterren.”

Bron:

  • Murdin B. e.a., Si:P as a laboratory analogue for hydrogen on high magnetic field white dwarf stars, Nature Communications (12 februari 2013). DOI: 10.1038/ncomms2466