Samenvatting onderzoek
In dit proefschrift is het mechanisme van ``stralingsgedreven'' winden
van massieve sterren onderzocht. Om enigszins te kunnen begrijpen wat dit nu eigenlijk inhoudt, zal
er eerst iets verteld worden over wat massieve sterren zijn en daarna zal ik proberen uit te leggen
hoe sterwinden ontstaan.
Wat zijn massieve sterren?
Sterren komen voor in allerlei soorten en maten. De meeste sterren in ons universum zijn
relatief licht zoals de ster die ons zo na aan het hart ligt: de Zon.
Er zijn echter ook sterren die wel 100 keer zo zwaar zijn als de Zon. Zo'n zware ster is niet
alleen groot en zwaar, maar ook bijzonder helder. Een zware ster met een
gewicht van zo'n 100 zonsmassa's zendt zoveel energie in de vorm van licht (straling)
uit dat zo'n massieve ster wel een miljoen keer helderder is dan de Zon. Gelukkig
staan deze sterren veel verder weg dan onze buurman, want anders zouden wij
op Aarde levend verbranden!
De rol van de zwaartekracht en gasdruk
In de natuurkunde speelt het evenwicht tussen krachten vaak een belangrijke rol. Als er op een lichaam
twee krachten werken die tegengesteld gericht zijn, zal het lichaam alleen dan stil blijven staan wanneer
deze twee krachten precies even groot zijn. Als echter de ene kracht groter is dan de andere, zal er
sprake zijn van een ``netto'' kracht in een van de twee richtingen. Het lichaam zal nu niet langer
in evenwicht kunnen blijven, maar onvermijdelijk in beweging komen.
In de sterrenkunde is vaak het evenwicht tussen de naar binnen toe gerichte zwaartekracht en
allerlei naar buiten toe gerichte krachten van belang. Zwaartekracht is de kracht die ervoor
zorgt dat een appel uit de boom valt, omdat simpelweg alle materie elkaar aantrekt. Daarom ondervindt
de appel een neerwaarts gerichte kracht door de aanwezigheid van de ``zware'' aarde.
Een voorbeeld van een naar buiten toe gerichte kracht is de gasdruk.
Een gas kun je je voorstellen als een verzameling deeltjes; hoe sneller deze deeltjes
bewegen, hoe hoger de bewegingsenergie van het gas is en dit drukt men uit met behulp van
het begrip ``gasdruk''.
Winden op aarde komen voort uit het bestaan van gebieden van zogenaamde ``hoge'' en ``lage'' gasdruk.
Als er zich in Duitsland een hoge drukgebied bevindt en in Frankrijk een gebied van lage druk, dan zullen
er gassen in de aardse atmosfeer in de richting van Duitsland naar Frankrijk willen stromen en dit zorgt
voor winden in de aardse atmosfeer.
De ``balans'' tussen de naar binnen gerichte zwaartekracht en de naar buiten gerichte gasdruk speelt
een essenti\"ele rol bij het vormen van sterren. Iedere ``gaswolk'' in het heelal bevat een bepaalde hoeveelheid
bewegingsenergie t.g.v. de warmtebeweging van de deeltjes en dus ook gasdruk.
Als nu de dichtheid van het gas op bepaalde plekken toeneemt, dan zal
op die plekken de onderlinge zwaartekracht van het gas plaatselijk toenemen. Als de naar binnen gerichte
zwaartekracht plaatselijk groter wordt dan de naar buiten gerichte gasdruk, dan zal de gaswolk ter plekke
gaan instorten, en kan er zich een gasbol vormen.
Als na het instorten van zo'n gaswolk een ``stabiele'' ster ontstaan is, zullen de temperatuur en de druk
in het centrum van de gasbol opgelopen zijn tot extreem hoge waarden. Hierdoor kan er kernfusie optreden in het
binnenste van de ster. Bij dit proces worden lichte deeltjes zoals ``waterstofatomen'' omgezet in
zwaardere deeltjes zoals helium, koolstof en zuurstof. Dit zijn de deeltjes waaruit ook wij, de mens, zijn
opgebouwd!
Bij het proces van kernfusie komt energie vrij die vervolgens naar buiten vervoerd wordt en de energie
wordt uitgezonden in de vorm van licht. Dit is de reden waarom we sterren kunnen zien!
Nu een ster is geboren en kernfusie processen ondergaat, zal hij voortdurend van structuur ofwel van
opbouw veranderen. Tegenwoordig kunnen sterrenkundigen met computers tot soms grote nauwkeurigheid voorspellingen
doen over de precieze levensloop van sterren zoals de Zon. De totale levensduur van sterren loopt uiteen
van enkele miljoenen tot enkele miljarden jaren.
Aan het einde van haar leven zal de brandstof in het centrum van de ster uitgeput raken, dit betekent dat
de ster uiteindelijk, net als de mens, zal ``sterven''. Bij zware sterren zal dit sterven op spectaculaire
wijze plaatsvinden in een enorme explosie, deze gigantische knallen worden supernova's
genoemd, en na de knal zal er een compact eindproduct overblijven.
Voor de experts onder ons: neutronensterren of zwarte gaten.
Wat zijn sterwinden?
Uit het voorafgaande zou men kunnen denken dat de balans van krachten zorgt voor
een volledig stabiele ster. Dit is echter niet helemaal waar. Aan de rand van de ster is er namelijk iets
bijzonders aan de hand. Je kunt je vast wel voorstellen dat de druk van het gas aan de rand van de ster
veel hoger is dan net buiten de ster, waar nauwelijks gasdeeltjes aanwezig zijn. Door dit drukverschil
is er dus voortdurend sprake van een ``uit evenwicht'' situatie. Met andere woorden de naar buitentoe gerichte
gasdruk kan de zwaartekracht op de rand van de ster ``overwinnen en de buitenlagen van de ster wegblazen.
Dit verschijnsel noemt men een ``sterrenwind''. Ook de Zon heeft zo'n wind: de zonnewind.
We merken het bestaan van de zonnewind bijvoorbeeld door het verschijnsel op Aarde dat ``Aurora Borealis''
oftewel ``het Noorderlicht'' heet. Dit verschijnsel treedt op wanneer de Zon zeer actief is in het uitstoten
van materie.
Stralingsgedreven sterwinden
Tot nu toe hebben we gesproken over gasdeeltjes en gasdruk, maar ook licht kan een ``druk'' uitoefenen.
In de moderne natuurkunde kan licht worden opgevat als een verzameling ``lichtdeeltjes'' (in natuurkundig
vakjargon ``fotonen'' genoemd) die net als de gewone gasdeeltjes kunnen botsen en zo hun
druk over kunnen brengen op materie. Dit betekent dat ook het mechanisme van
lichtdruk kan zorgen voor het verlies van materie aan de rand van een ster. Dit noemen we
dan ``stralingsgedreven''winden.
Het mechanisme van stralingsdruk blijkt voor de Zon niet zo belangrijk te zijn. Feitelijk is
de Zon hier niet helder genoeg voor. Toch heeft de Zon wel een wind, maar die wordt veroorzaakt door
de gewone ``gasdruk''. Hoewel de Zon gedurende z'n gehele levensloop materie verliest, blijkt de
hoeveelheid materie dusdanig klein te zijn dat dit feitelijk verwaarloosbaar is
voor de structuur en de levensloop van de Zon zelf.
Volledig anders is deze situatie voor zware sterren. Hoewel massieve sterren ``slechts'' honderd
keer zo zwaar zijn als de Zon, hebben ze wel een miljoen keer zo grote helderheid.
Dit enorme reservoir aan lichtdeeltjes kan bij zware sterren zorgen voor een zeer
effici\"ente stralingsdruk, die de zwaartekracht gemakkelijk kan overwinnen en de buitenlagen van de ster wegblaast.
Deze sterrenwind voor zware sterren is dusdanig groot dat de ster gedurende haar
gehele leven wel de helft van haar massa kwijtraakt. Je kunt je wel voorstellen dat
dit gigantische consequenties heeft voor de interne structuur en levensloop van deze sterren!
Bovendien heeft het enorme massaverlies een grote invloed op haar omgeving
en de rest van het heelal. Per jaar wordt er namelijk een hoeveelheid materie
uitgestoten, die net zo groot is als de massa van de gehele aarde! Het is belangrijk
om te beseffen dat de deeltjes die in het verleden in winden van zware sterren
uitgezonden werden, namelijk deeltjes van stikstof en zuurstof, ook de samenstelling van de
aardse dampkring vormden. Zonder deze sterwinden zou leven op aarde dan ook niet
mogelijk zijn!
Het probleem voor dit proefschrift
De ontwikkeling van de stralingsgedreven windtheorie voor zware sterren
is niet nieuw. Belangrijke artikelen op dit gebied bestaan feitelijk al vanaf het begin van de
jaren '70. In de laatste decennia is de stralingsgedreven windtheorie echter vergeleken met steeds
nauwkeuriger waarnemingen, maar de waarnemingen bleken niet te kloppen met de theorie.
De hoeveelheid materie die met de stralingsgedreven windtheorie werd voorspeld bleek te laag te zijn in
vergelijking met de waarnemingen. Dit probleem is in dit proefschrift onderzocht.
Het resultaat van dit proefschrift
In dit proefschrift zijn intensieve computerberekeningen gedaan om de
hoeveelheden materie verlies van zware sterren met behulp van stralingsgedreven
windmodellen nauwkeurig te voorspellen. Dat er voor dit soort berekeningen
computers nodig zijn, komt doordat er veel verschillen soorten deeltjes zijn en dat deze deeltjes
in eigenschappen flink van elkaar verschillen. Daar komt nog eens bij dat de
berekening van de straling niet zo maar eventjes in wiskundige formules op papier
geschreven kan worden.
Essentieel voor de berekeningen van de stralingsdruk in dit proefschrift is dat er nu netjes rekening
gehouden is met het feit dat in werkelijkheid de lichtdeeltjes aan de sterrand meerdere malen
hun stralingsdruk op de materie kunnen overbrengen en niet slechts
\'{e}\'{e}n keer. Het rekening houden met deze {\em meervoudige} botsingen is een
boekhoudkundig zware klus, zodat computerberekeningen onvermijdelijk zijn.
De berekingen hebben laten zien dat door netjes
rekening te houden met de meervoudige botsingen van de lichtdeeltjes met de gasdeeltjes,
de hoeveelheden uitgestoten materie nauwkeurig voorspeld kunnen worden.
Het is gelukt om over een groot bereik van sterparameters voorspellingen
te doen die nu {\em wel} kloppen met de waarnemingen!
Nu we in staat zijn om precies uit te rekenen hoeveel materie massieve sterren
verliezen, kunnen we beter voorspellen hoe de levensloop van zware
sterren eruit zal zien. Bovendien kunnen we nu berekenen met hoeveel materie
de sterwinden het universum verrijken, waaruit weer nieuwe sterren en planeten
gevormd kunnen worden. Het moge duidelijk zijn dat er nog veel interessant sterrenkundig
onderzoek in het verschiet ligt!
