1. EEN REUSACHTIGE
DIAMANT ZWEEFT
DOOR HET HEELAL
De geheimen van Lucy ontrafeld
C. de Jager

2. Een diamant in het heelal?
• Een ‘witte dwergster’ die uit koolstof bestaat : BPM
37093, staat op 54 lichtjaren afstand in het sterrenbeeld
Centaurus
• Een witte dwerg is een ineengestorte ster: maar deze
bestaat uit gekristalliseerd koolstof, een zeldzaamheid!
• Ook diamant is een kristal van koolstof
• Hebben we hier te maken met een quintiljoen karaats
diamant ?
• De ontdekte ster werd Lucy genoemd, naar het lied van
de Beatles: “Lucy, the sky with diamonds”

3. Zo zag een artiest het: de diamantster Lucy (= BPM 37093)

4. Maar eerst: wat zijn witte
dwergen
Alle sterren die ongeveer dezelfde massa
hebben als de zon tot en met sterren van ca. 8
maal die massa storten aan het eind van hun
leven ineen tot een witte dwerg.
Eens wordt de zon ook een witte dwerg

5. De eerste witte dwerg werd ontdekt in 1862 door Alvan
Cark – Sirius B, de begeleider van Sirius ; zie links onder

6. Een ontdekking waar men eerst
niet aan wilde
• DE ster straalde wit – had dus een hoge
oppervlakte temperatuur
• Straalde echter tienduizend maal minder licht uit
dan de zon
• Moest dus een heel klein oppervlak hebben: een
heel kleine ster
• Maar dat sterretje trok aan Sirius met dezelfde
aantrekkingskracht als de zon dat zou doen –
moest dus ongeveer even zwaar zijn als de zon

7. Een zeer gecomprimeerde ster
• Maar dan moest die zonsmassa in een heel
klein sterretje zitten
• Een ster met een dichtheid (soortelijk gewicht)
van ongeveer een miljoen gram per kubieke cm
• Maar zulke stoffen kenden we niet. Lood was
ongeveer de zwaarste stof die men toen kende
• Pas omstreeks 1910 werd dit opgelost
• Een ontaard elektronengas

8. Eigenschappen van Sirius B
• Oppervlakte temperatuur 25 000 Kelvin
• Lichtsterkte = 0,000 09 die van Sirius A
• Heel klein: middellijn = 0,008 die van de zon
• Massa is echter bijna dezelfde als die van de
zon: 0,98 maal de zon
• Dus is dichtheid ≈ twee miljoen maal die van
water; dus: 1 cm3 weegt twee ton

9. Als voorbeeld een andere witte dwergster: links de ster IK
Pegasi, dan zijn witte dwerg begeleider en rechts de zon.
Bedenk dan dat de zon 100 maal groter is dan de aarde

10. Waarom wordt de zon
uiteindelijk een witte dwerg?
Het is alles gevolg van de wijze
waarop de straling van de zon
ontstaat

11. Eerst het volgende gegeven:
Ons heelal bestaat voor ca. 90% uit waterstofgas en voor
de rest uit heliumgas (ca. 10%) en voor ca. 1% uit nog
zwaardere gassen. De energie opwekking in het
inwendige van sterren heeft hoofdzakelijk te maken met
de omzetting van waterstofgas in heliumgas

12. De levensloop van zon-achtige sterren
• De zon straalt door kernfusie in het inwendige:
waterstofgas wordt omgezet in heliumgas. Dat
proces levert de enorme stralingsstroom van de
zon (en daar danken wij ons bestaan aan)
• Straling uit het binnenste van de ster oefent een
druk uit; de stralingsdruk.
• Daardoor en door de gasdruk van het zonnegas
worden de buitenlagen van de ster opgeblazen
en als gevolg is de zon zo groot: de diameter is
1,4 miljoen km

13. Maar de voorraad waterstof raakt op !
• Terwijl gedurende miljarden jaren de voorraad waterstof
in de kern van de zon steeds verder opraakt krimpt de
kern ineen, maar daardoor wordt de temperatuur in de
zonnekern steeds hoger, tot in de buurt van 100 miljoen
graden
• Door die hogere temperatuur nemen de stralingsdruk en
de gasdruk toe; de buitenste delen van de ster zwellen
op: de ster wordt groter in omvang
• Door die hogere temperatuur wordt ook steeds sneller
waterstof in helium omgezet en dus straalt hij ook feller
tot uiteindelijk alle waterstof-brandstof op is.

14. Geen kernfusie meer in de kern
van de zon
• Als alle waterstof in de kern van de zon in
helium is omgezet dan is er geen materiaal meer
voor fusiereacties (althans niet bij deze
temperatuur)
• Dan wordt dus ook geen straling meer
uitgezonden
• De temperatuur in de kern van de ster neemt
daardoor snel af
• Daardoor neemt ook de gasdruk af
• Er is dan ook geen stralingsdruk meer

15. Zonne-kern wordt machteloos; wat nu?
• Geen kernfusie, verminderde stralingsdruk
en gasdruk in het inwendige van de zon
• Gevolg is dat de kern van de ster ineen
stort
• Door die klap komt zoveel botsingsenergie
vrij dat de buitenlagen van de ster met
grote snelheid worden weggestuurd, de
ruimte in.
• Een gaswolk ontstaat om de ster

16. Gedegenereerd (ontaard) elektronengas is
het eindstadium
• Het ineenstorten van de sterrekern gaat door tot een
voldoend grote tegendruk is bereikt
• Elektronendegeneratie bepaalt die grensdruk
• In zo’n gas zijn de atomen al hun elektronen
kwijtgeraakt; die vliegen ‘los’ rond
• Het gas is dan zover samengeperst dat alle elektronen
slechts voorgeschreven snelheden kunnen hebben; alle
mogelijke snelheidswaarden zijn dan ‘bezet’. Dat heet
volledige degeneratie van het elektronengas
• De afstand tussen de atomaire deeltjes is dan van de
orde van 10-10 tot 10-9 cm (≈ een honderdste tot een tiende
van de middellijn van de atomen)

17. De levensloop van zon-
achtige sterren
We beschrijven de levensloop van sterren
met zonsmassa tot sterren met acht maal
grotere massa’s

18. Drie fasen in evolutie zon
1. contractiefase; de zon ontstaat uit een gaswolk, krimpt
samen en wordt een echte ster (ca. 20 miljoen jaren)
2. De zon blijft het grootste deel van zijn leven (ca. 9 miljard
jaar) een ‘gewone ster’ tot hij, geleidelijk steeds helder
wordend, een reuzenster wordt.
3. Ten slotte is de kernbrandstof op en stort de ster ineen; de
eindfase is een witte dwerg

19. Ouderdom van de stofwolk waaruit zon en
aarde ontstonden, afgeleid uit meteorieten

20. Zonnestelsel begon dus ca.
4567 miljoen jaar geleden
20 miljoen jaar later was de zon er: onze zon is
dus ca. 4550 miljoen jaar oud
Aarde en planeten vormden enkele honderden
miljoenen jaren later

21. Levensloop van de zon in stappen
van een miljard jaar

22. voorlaatste fase: planetaire nevel om
witte dwerg (voorbeeld: Ringnevel in de Lier)

23. Andere planetaire nevel

24. Een planetaire nevel leeft niet lang
• Er is nog steeds een kleine expansie snelheid,
die is overgebleven va de implosie energie
• Ook zal het gas langzaam diffunderen naar de
ruimte
• Over blijft ten slotte de witte dwerg – deze is
eerst nog vrij heet; rest-energie uit het
sterinwendige, maar dat koelt af

25. Afkoeling van witte dwergen
• Een witte dwerg produceert geen energie door kernfusie
• Toch straalt hij nog wel, omdat hij langzaam afkoelt
• Maar daardoor gaat wel zijn temperatuur en daarmee de
helderheid omlaag! Dat gaat heel langzaam.
• Er komen geen witte dwergen voor die minder licht
uitstralen dan 0.000 03 maal de zonnestraling. Waarom?
• Antwoord: gas-(?)bollen die nog minder licht uitstralen
zijn te koud om nog zichtbaar licht te kunnen stralen; het
zijn dus planeetachtige lichamen; ze bestaan deels nog
wel uit gas, maar ook wel uit vaste stof

26. Een noodzakelijk zijstapje:
nog zwaardere sterren
Sterren zwaarder dan 8 maal de zon hebben
zoveel massa dat de inwendige temperatuur
ten slotte hoger wordt dan 100 miljoen graden

27. zwaardere sterren
• In sterren met meer massa dan ca. 8 maal de
zon zal na de heliumfusie de inwendige
temperatuur verder stijgen, tot boven 200
miljoen graden, waardoor kernfusie toch weer
aanslaat en nog zwaardere elementen ontstaan.
• Zo ontstaan uit het heliumgas stoffen zoals
koolstof, zuurstof, neon en nog zwaardere
elementen (en daaraan danken wij ons bestaan!)
• Maar ook deze sterren komen aan hun eind

28. Als bij de zon maar heviger
• Bij het uiteindelijke ineenstorten komt zoveel
implosie energie vrij dat de buitenlagen
exploderen met enorme snelheden, van de orde
van 5.000 km per seconde
• De ster was inmiddels een superreus geworden
(helderheid ca. 100.000 maal die van de zon) en
explodeert als supernova
• Eindresultaat is neutronenster. Bestaat uit een
gedegenereerd neutronengas

29. Supernova 1987A tijdens en vóór explosie

30. Evolutie hangt af van stermassa

31. Hoe zwaar kan een witte
dwergster zijn?
Chandrasekhar voorspelde: een
witte dwerg kan niet zwaarder zijn
dan 1,44 maal de zonsmassa

32. Voorspelde massa-straal relatie
Groen: klassiek; rood: de relatie van Chandrasekhar; zie de limiet bij 1,44

33. We kennen twee soorten witte
dwergen; het verschil zit in de
samenstelling van de atmosfeer
- Atmosfeer van zuiver waterstof (80%)
- Atmosfeer van zuiver heliumgas (20%)
- en tussenvormen (sporadisch)

34. Gravitatiediffusie in witte dwergen
• De zwaartekrachtversnelling is groot: in Sirius B is dit
400 kilometer per seconde per seconde.
• Daardoor drijft het lichtste gas boven: een laag waterstof
boven heliumgas en daar onder het nog zwaardere
materiaal. We noemen dit zwaartekracht- (gravitatie-)
diffusie
• In de meeste witte dwergen verwachten we dus een
bovenliggende waterstofatmosfeer
• In een ster waar alle waterstof in helium is omgezet: een
heliumatmosfeer en daar onder een geringe hoeveelheid
van de nog zwaardere elementen, zoals koolstof,
zuurstof en nog zwaarder

35. NU DE STER LUCY
• Afstand 54 lichtjaren
• Lichtkracht is 0,0006 maal de zon
• Middellijn is slechts 4000 km ; dat is 1/3 van die
van de aarde; ongeveer zo groot als de maan
• De massa is 1,1 maal die van de zon; de
dichtheid is dus 30 ton per kubieke cm
• Heel dunne atmosfeer van koolstof !, vermengd
met een paar procent waterstof en helium - dat
is ongewoon voor witte dwergen

36. Lucy: C/H ≈ C/He ≈ 30 - 40. Gravitatie versnelling ≈ 1000
km/s/s. Oppervlakte temperatuur = 21 830 K

37. Lucy heeft dus een
koolstofatmosfeer
En liggen er dan nog zwaardere elementen
onder die atmosfeer? Lucy dankt haar
bestaan aan de heliumflits

38. We moeten een nieuwe weg
inslaan om de koolstof
atmosfeer te verklaren
Een bijzondere onderstelling: Kan de witte
dwerg zijn ontstaan aan het levenseind van een
“te” zware ster, die eigenlijk een supernova had
moeten worden? De heliumflits helpt

39. De heliumflits
• In gedegenereerde materie is de gasdruk niet afhankelijk
van de temperatuur!! Heel anders dan in niet-
gedegenereerde materie
• Als de temperatuur stijgt tot boven 100 – 200 miljoen
graden fuseert helium tot zuurstof en koolstof
• Temperatuur neemt daardoor nog meer toe. Maar er is
géén afkoeling door expansie! Want: een gedegenereerd
gas zet niet uit bij toenemende temperatuur
• De temperatuur neemt dus verder toe, nog sterkere
heliumfusie, enz. Dit is de helium-flits

40. Hypothese van Dufour c.s.
• 1. Zware ster (8 – 10 zon) aan het eind van de
He-C fusie. Bijna alle waterstof in de kern is
koolstof geworden. De ster implodeert.
• Gasschillen vliegen weg (vormen planetaire
nevel); rest (< 1,44 zonsmassa) degenereert en
wordt witte dwerg
• 2. De atmosfeer van deze ster is een dunne
waterstoflaag en daaronder helium; deze
heliumlaag is ook gedegenereerd

41. Vervolg hypothese Dufour c.s.
• 3. Warmtegeleiding in gedegenereerde
materie is zeer groot; daardoor wordt de
heliumlaag ook op hoge temperatuur
gebracht
• 4. Er ontstaat een heliumflits die vrijwel al
het overgebleven helium en waterstof in
de ruimte doet verdwijnen. Rest: een
gedegenereerde koolstof-zuurstof-ster

42. Zo zou Lucy kunnen zijn ontstaan
• Maar … er was dus wel een zware ster voor
nodig (8 tot 10 maal de zon) die echter niet in
een supernova overging
• Lucy was aanvankelijk niet vast, maar
gasvormig. Was Lucy helemaal gasvormig?
• Ja, Lucy was gasvorming maar na enige tijd zal
het gedegenereerde gas uitkristalliseren
• Dit gebeurt des te eerder naarmate de
oppervlaktetemperatuur hoger is

43. Het klopt: Lucy is gekritalliseerd
• BPM 37093 (Lucy), met zijn hoge
oppervlaktetemperatuur, blijkt te trillen.
• Het onderzoek van de aard van deze
trillingen toont dat de ster uit vaste stof
bestaat - uitgekristalliseerd is
• Conclusie: Lucy bestaat uit gekristalliseerd
koolstof – de diamant in de ruimte

44. Gewetensvraag: is Lucy wel
echt een diamant? Ja en neen!
• Ja, want Lucy bestaat net als diamanten uit
koolstofkristallen
• Neen, want de dichtheid van deze kristallen is
een miljoen maal groter dan die van de aardse
kristallen
• Ja, want aan het oppervlak zal Lucy een dun
laagje hebben van niet-ontaarde koolstof – een
dun laagje van echte diamant

45. Lucy
Lucy is een ster die bestaat uit een kern van vast
zuurstof met daar om heen gekristalliseerd vast
koolstof. Daarbuiten een heel dunne atmosfeer van
koolstof vermengd met een paar procent waterstof en
heliumgas
We hebben een nieuw soort witte dwergen ontdekt:
een ster met massa tussen 8 en 10 zonsmassa’s
hoeft géén supernova te worden maar kan ineen
storten tot een bijzondere soort witte dwergen.