Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Transcriptie

1 Cover Page The handle holds various files of this Leiden University dissertation Author: Clementel, Nicola Title: Casting light on the ƞ Carinae puzzle Issue Date:

2 In een met sterren bezaaide nacht op het zuidelijk halfrond zou je, spelend met een telescoop, het sterrenbeeld Carina kunnen tegenkomen. De naam Carina (Kiel) verwijst naar het schip van de Argonauten. Laat je niet afleiden door Canopus, de op een na helderste ster aan de hemel, want we willen hier onze aandacht vestigen op de helderste interstellaire wolk aan de hemel: de Carina Nevel. Daarin bevindt zich η (Eta) Carinae, een dubbelster die bestaat uit een paar van de zwaarste en meest lichtsterke sterren die we kennen. Zulke sterren eindigen door een supernova-explosie, waarbij het grootste deel van de massa met vele tienduizenden kilometers per seconde de ruimte in geslingerd wordt. Uiteindelijk zal ook Eta Carinae dit stadium bereiken, zelfs overdag zichbaar zijn en zoveel licht uitstralen dat je er s nachts bij kunt lezen. Sterren met zo n hoge massa (ongeveer tien tot honderd maal zoveel als de Zon) spelen een zeer belangrijke rol in de geschiedenis en evolutie van het Heelal. Uit waterstof en helium maken zij door kernreacties de zwaardere elementen van onze wereld. Die stoffen verrijken het interstellair medium via sterrenvlammen, sterrenwind, en aan het einde van hun leven via supernova-explosies. Vanwege hun grote massa zijn deze sterren zeer helder en heet. Ze stoten lichtdeeltjes (fotonen) uit die worden opgevangen door kosmisch gas en stof, en daarna weer uitgestraald. Door die wisselwerking veranderen de golflengte en de trillingsrichting van het licht. Dat kunnen wij waarnemen met onze ogen of door een telescoop. Astronomen gebruiken deze informatie om de bron (sterren) en de eigenschappen van gas en kosmisch stof te bestuderen. De kernfusie gaat in deze extreem hete sterren zeer snel, zodat zij weliswaar zeer helder zijn, maar ook kort leven: enkele tientallen miljoenen jaren. Mede daardoor zijn ze heel zeldzaam, en is onze kennis van deze sterren beperkt, hoewel ze zeer belangrijk zijn voor de evolutie van de kosmos. Al sinds 1837 heeft Eta Carinae de astronomen geboeid. In die jaren begon haar helderheid te variëren en werd zelfs enige tijd bijna zo fel als Sirius, de helderste ster aan de hemel. Eta Carinae bleef ruim tien jaar zeer helder. Tijdens deze Grote Uitbarsting stootte de zwaarste van de twee sterren een flink deel van haar massa uit (waarschijnlijk 117

3 Samenvatting Figuur 5.16 Wolk van gas en stof rondom de haltervormige Homunculus nevel, in het centrum waarvan zich de zware dubbelster Eta Carinae bevindt. Opname met de Hubble Space Telescope door Nathan Smith (University of California, Berkeley), NASA zonsmassa s). Door deze ontploffing ontstond een nevel in de vorm van het cijfer 8, sindsdien bekend als Homunculus (zie Figuur 5.16). Door de explosie en de nieuwe nevel trok Eta Carinae sterk de aandacht. Maar de uitgeworpen materie heeft de ster bijna geheel onzichtbaar gemaakt. In de afgelopen jaren is Eta Carinae een van de meeste bestudeerde stersystemen van onze Melkweg geworden. Er zijn al veel waarnemingen en theoretische modellen beschikbaar, maar er blijft nog veel te onderzoeken. Eta Carinae is een dubbelster, zodat het niet makkelijk is te bepalen wat daarmee gebeurt. Maar juist daarom is dit stelsel extra interessant. In een dubbelster worden twee sterren bijeengehouden door hun onderlinge zwaartekracht en bewegen in elliptische banen om elkaar heen. De excentriciteit (afplatting) van de baan geeft aan hoeveel deze afwijkt van een cirkel. Er zijn twee speciale posities op een elliptische baan: het apastron, waar de afstand tussen de sterren het grootst is, en het periastron waar die het kleinst is. Beide sterren van Eta Carinae hebben een grote massa: waarschijnlijk 90 zonsmassa s in de primaire ηa en 30 zonsmassa s in de secundaire ηb ster. Zulke zware sterren zijn zo heet, dat zij hun atmosfeer de ruimte in blazen: een sterrenwind. De sterrenwinden van ηa en ηb hebben verschillende dichtheid en snelheid. Die van ηa is dichter (meer atomen per kubieke meter), die van ηb sneller (meer meters per seconde). Waar de twee winden elkaar ontmoeten, ontstaat een zeer ingewikkeld botsingsgebied. De vorm daarvan, en de manier waarop de gassen door de ruimte stromen, wordt bepaald door de dichtheid en de snelheid van de winden, en natuurlijk door de baanbeweging van de dubbelster. De sterkste wind, die met de grootste impuls (massa vermenigvuldigd met snelheid), buigt de zwakste terug in de vorm van een afgeronde kegel (zie Figuur 5.17). Door de heftige 118

4 botsing worden de gassen zeer heet en tot grote dichtheid samengeperst. Omdat de baan van Eta Carinae een grote excentriciteit heeft, is die zeer afgeplat. Het grootste deel van de omloopstijd (5.5 jaar) bewegen de sterren vrij langzaam in de buurt van het apastron. Dan duiken ze in enkele maanden op elkaar af, vliegen razendsnel langs elkaar heen waarbij ze het periastron passeren, en keren terug naar het apastron. Theoretische berekeningen laten zien dat tijdens zo n periastron-passage het botsingsgebied tussen de sterren wordt opgevouwen in een ingewikkelde knoop van hete en turbulente gassen (zie Figuur 5.18). wind van de hoofdster botsingsgebied van de sterrenwinden wind van de begeleider η A afstand tusse de sterren η B Figuur 5.17 Schets van de botsing van twee sterrenwinden in een dubbelster. De vorm van het botsingsgebied ontstaat doordat de sterkste wind de zwakkere terugbuigt tot een afgeronde kegel. apastron periastron η A η B Figuur 5.18 Schets van de elliptische baanbeweging van een dubbelster, gezien in het baanvlak. Links: toestand omstreeks apastron, rechts: toestand omstreeks periastron. De groene lijn geeft aan waar de winden botsen. 119

5 Het onderzoek van zulke ingewikkelde systemen als Eta Carinae vereist vele nauwkeurige waarnemingen met de beste telescopen, en vele modellen op basis van numerieke berekeningen met de beste computercodes. In de theoretische modellen moet zoveel mogelijk van de relevante natuurkunde worden opgenomen: voornamelijk baanbeweging, gasdynamica, thermodynamica, en stralingsprocessen. Vooral dit tweede aspect vormt het onderwerp van dit proefschrift: de ontwikkeling van deze modellen door de berekening van de wisselwerking tussen gas en straling. De baanbeweging volgt uit de klassieke mechanica, de gasdynamica beheerst de beweging van de sterrenwinden en hun botsing, de thermodynamica en de stralingsprocessen bepalen de toestand van de gassen. Door het felle licht van de hete sterren worden elektronen losgeslagen uit de atomen van het gas (ionisatie). Om die te berekenen hebben we gebruik gemaakt van driedimensionale simulaties van botsingen tussen de winden in Eta Carinae. Het gedrag van de straling is berekend met behulp van SimpleX, een computercode die berekent hoe de door de sterren uitgezonden fotonen zich verspreiden en wisselwerken met het gas. Het hoofddoel van dit proefschrift is, de doeltreffenheid van SimpleX te gebruiken, aan te passen en uit te breiden voor de studie van het gas in systemen als Eta Carinae (Hoofdstuk 2). Met deze versie van SimpleX krijgen wij een sterk verbeterd inzicht in de ionisatie, wat nodig is om de modellen met de waarnemingen te vergelijken en die te begrijpen. De vorm, dichtheid en temperatuur van het gebied waar de sterrenwinden botsen hangt sterk af van de samenstelling en beweging van het gas. Vooral het geioniseerde volume is hier gevoelig voor. Bij minder winddichtheid in de eerste ster η A, neemt het volume van het geioniseerde gas toe. Door de resultaten van de numerieke berekeningen te vergelijken met de waarnemingen kunnen wij een ondergrens stellen aan de dichtheid van het gas weggeblazen door de zwaarste ster (Hoofdstukken 2 en 3). De talrijke gegevens die door waarnemingen zijn verkregen over Eta Carinae tonen sterke veranderingen als de sterren door het periastron gaan. Vooral het bestuderen van deze fase geeft meer informatie over de geometrie van het systeem en de fysieke eigenschappen van de twee sterren. De simulaties beschreven in Hoofdstukken 3 en 4 onderzoeken de ionisatie van het gas bij apastron en periastron. De moeilijkheden omtrent het maken van modellen van Eta Carinae strekken zich uit voorbij de numerieke details van de programmatuur en de simulaties. Ook het aanschouwelijk maken van de ingewikkelde resultaten van de driedimensionale simulaties is een delicate zaak. Met behulp van een 3D-printer hebben wij ruimtelijke modelletjes gemaakt op basis van hydrodynamische berekeningen van de botsing tussen de sterrenwinden in Eta Carinae (Hoofdstuk 5). De mogelijkheid om deze voorwerpen ter hand te nemen schept nieuwe manieren om zowel de waarnemingen als de resultaten van simulaties te beschouwen, te analyseren en te tonen. Dat is in het bijzonder belangrijk bij de communicatie met niet-deskundigen. In de afgelopen jaren heeft men mij meer dan eens gevraagd: Waarom zou je Eta Carinae bestuderen? Even afgezien van duidelijk wetenschappelijke motieven, meen ik dat het antwoord zou kunnen zijn: kennis en nieuwsgierigheid. Het is de aandrang, de wens en het plezier, gevestigd in de menselijke geest, om aan een puzzel die niet af is, een 120

6 stukje toe te voegen, al is het er maar een. Ter zake van de wetenschap is Eta Carinae, vanwege de nabijheid ervan en de beschikbaarheid van uitstekende waarnemingen, een voortreffelijk laboratorium om de talrijke aspecten van het ontstaan en de evolutie van zware sterren te bestuderen. In het bijzonder de verscheidene wisselwerkingen tussen de sterren in een dubbelster veroorzaken tal van belangrijke verschijnselen, die nog niet geheel begrepen zijn. Het werk dat in dit proefschrift wordt aangeboden richt zich voornamelijk op het verband tussen de ingewikkelde ruimtelijke structuur van de botsende sterrenwinden enerzijds, en de ionisatie van dit gas door de sterren anderzijds. Het uiteindelijke doel van dit werk is het vervaardigen van theoretische waarnemingen om die te vergelijken met de echte, om die zodoende te onderzoeken en te interpreteren. Dit proefschrift heeft niet de pretentie om antwoorden te geven op alle openstaande vragen over het verleden, het gedrag en de toekomst van Eta Carinae. Veel van de stukjes van Eta s puzzel zitten nog in de doos. 121

7