O - Ed van den Heuvel - SRON Netherlands Institute for Space Research

Ed van den Heuvel (1940): Aanzet tot beter inzicht in sterevolutie

Onderscheid
Belangrijkste bijdragen
Opmerkelijk
Links

Onderscheid

Prof. dr. E.P.J. van den Heuvel (Ed) studeert natuur- en sterrenkunde aan de universiteit van Utrecht. In 1970 wordt hij benoemd tot hoogleraar sterrenkunde aan de Vrije Universiteit van Brussel, en in 1974 ook aan de Universiteit van Amsterdam (UvA). Tot zijn emeritaat in 2005 is hij directeur van het Sterrenkundig Instituut Anton Pannekoek.

Het onderzoek aan de restanten van vroegere sterren, en dan met name neutronensterren en zwarte gaten, is tegenwoordig een van de belangrijkste hoofdlijnen van het sterrenkundig onderzoek aan de UvA. Dat is rechtstreeks het gevolg van de röntgenwaarnemingen die met de twee instrumenten aan boord van de Astronomische Nederlandse Satelliet (ANS) zijn gedaan in 1974. Kort daarvoor is met een andere satelliet ontdekt dat er röntgendubbelsterren bestaan, waarin een neutronenster of zwart gat in enkele uren tot dagen een baan beschrijft om een gewone ster. Het gas dat van de gewone ster wordt afgesleurd, raakt sterk verhit en dat zorgt voor de röntgenstraling. Analyse van de gegevens (onder andere van ANS) door Ed van den Heuvel en zijn team, brengt aan het licht dat er twee soorten systemen bestaan. De begeleidende ster is óf zwaar (meer dan 15 zonsmassa’s) óf licht (lichter dan de zon). De eerste soort betreft jonge objecten, omdat zware sterren nu eenmaal kort leven. Ze zijn geconcentreerd rond het melkwegvlak, waar veel gas zit om nieuwe sterren te maken. De tweede soort objecten is juist erg oud. Ze komen ook voor in de bolvormige sterrenhopen, vaak ver buiten het melkwegvlak, waarvan bekend is dat ze ouder zijn dan 11 miljard jaar.

De ANS ontdekt ook grote ontploffingen op neutronensterren: de röntgenflitsers. Het materiaal dat van de begeleider is verzameld, hoopt zich op. Na zekere tijd is de druk en temperatuur in die laag zó groot dat het materiaal spontaan explodeert in een enorme kernexplosie. Binnen een fractie van een seconde is het gebeurd. Daarna start de opbouw van een nieuwe materielaag die zorgt voor de volgende explosie. Later, met de BeppoSax-satelliet,zouden ook superröntgenflitsen worden ontdekt. In plaats van een laag met waterstof en helium, ontbrandt dan een laag met zwaardere elementen.

Belangrijkste bijdragen

Tot de meest belangrijke bijdragen van Ed van den Heuvel behoort ongetwijfeld het ontwikkelen van een model waarmee de aanwezigheid van zéér compacte uitgebrande sterkernen (neutronensterren) in dubbelstersystemen wordt verklaard.

In een dubbelster draaien twee sterren, meestal een zware en een lichte, om elkaar heen. Grote sterren leven maar kort en eindigen hun leven vaak als supernova. Daarbij raakt de kleine ster uit zijn baan en schiet weg, alleen door het heelal. Satellietwaarnemingen in röntgen- en ultraviolette straling, en daarvan behoren die van de Astronomische Nederlandse Satelliet (ANS) tot de eersten, brengen een opmerkelijk soort objecten in beeld dat in het bovenstaande idee past. Er blijken dubbelstersystemen te bestaan waarbij een van de leden een uitgebrande sterkern is – een witte dwergster of een neutronenster. Of zelfs een zwart gat. Ze trekken materie van hun begeleider af. Die materie komt in een nauwe schijf om het compacte object terecht en wordt daarbij sterk verhit: een bron van röntgenstraling. Het periodiek verschijnen en verdwijnen van de röntgenbron is het bewijs dat hij in een dubbelsysteem staat. Met regelmaat wordt de bron verduisterd door de gewone ster. Maar… hoe kan die gewone ster de eerdere explosie van de buurman hebben overleefd? Waarom is hij niet het heelal ingeschoten?

Ed van de Heuvel vindt een verklaring. Als een van de twee oorspronkelijke sterren aan het einde van zijn leven komt, zwelt hij op. Normaal gaat dat door, totdat hij explodeert. Maar als de begeleider dichtbij staat, kan er massaoverdracht plaatsvinden. De lichtste van de twee sterren gaat groeien. En wordt zó zwaar dat hij later bij de explosie van de andere ster niet meer zal wegvliegen. Hij blijft in zijn baan, terwijl de buurster verandert in een compact object.

Het werk van Ed van den Heuvel is sterk beïnvloed door de mogelijkheden van het ruimteonderzoek. Tot zijn belangrijke bijdragen behoren:

Model voor de sterevolutie in compacte dubbelsterren;
Explosieve verschijnselen op of nabij witte dwergen, neutronensterren en zwarte gaten;
Onderzoek aan exotische objecten zoals dubbele neutronensterren en dubbele witte-dwergsterren. De zeer snel roterende neutronensterren kunnen daarbij deeltjesbundels uitzenden, zoals een vuurtoren, die periodiek de aarde raken. We zien dan een pulserende ster in radiostraling, of ook in energierijke straling als röntgenstraling. Ed van den Heuvel heeft bijgedragen aan het begrip hoe deze objecten aan die snelle rotatie komen.
Gammaflitsen, vaak samenhangend met de geboorte van een zwart gat of een neutronenster tijdens een supernovaexplosie. Soms ook het gevolg van twee om elkaar draaiende neutronensterren die versmelten tot een zwart gat. De oorzaken van deze korte, intense stoten van gammastraling worden mede ontraadseld op basis van de waarnemingen met de Nederlandse groothoekröntgencamera’s aan boord van de Italiaanse satelliet BeppoSax.

Opmerkelijk

Net als zijn promotor Kees de Jager (1968, onderzoek naar de rotatie van sterren) heeft Ed van den Heuvel veel energie gestoken in het populariseren van de sterrenkunde. Hij is een van de initiatiefnemers van het huidige planetarium in de Amsterdamse diergaarde Artis.

De grote liefde van Kees de Jager en Ed van den Heuvel voor het gebied van de sterevolutie blijkt ook uit het boekje “Ontstaan en Levensloop van Sterren en Planeten“ dat hij in 1955 publiceerde, en waarvan Kees en Ed van den Heuvel in 1973 een tweede druk bewerkten.

Over zijn leermeester Kees de Jager schrijft hij in het juli / augustusnummer van het blad Zenit / Ruimtevaart het volgende. In zijn colleges in Utrecht en Brussel behandelde Kees de toenmalige kennis op het gebied van het ontstaan en de evolutie van sterren, en bracht zijn studenten in aanraking met de nieuwste technieken voor het berekenen van stermodellen. Terwijl je in die tijd in je studie nog nergens leerde om computers te programmeren, leerde Kees zijn Utrechtse studenten al in 1960/61, hoe je met behulp van een computer een evolutiereeks van een ster kunt berekenen. Hij gebruikte hiervoor de ZEBRA-computer (Zeer Eenvoudig Binair Reken Apparaat), de eerste computer waarover de Utrechtse universiteit beschikte: een kamervullend product van de Nederlandse firma Electrologica-Philips, waarbij je de transistoren en condensatoren nog gewoon op borden kon zien zitten.

Als we terugkijken naar die tijd is het verrassend te zien hoe weinig we toen nog maar wisten van de evolutie van sterren, en hoeveel nieuwe kennis er in de volgende 50 jaar is ontdekt. We kenden in 1960/61 nog geen neutronensterren, geen zwarte gaten (zelfs de naam “zwart gat“ werd pas in 1967 door de Amerikaan Johnny Wheeler bedacht), de zonnewind was pas kort hiervoor ontdekt en we wisten niets van sterrewinden en het massaverlies van sterren dat de evolutie van veel soorten sterren sterk beïnvloedt. Ook wisten we niets van de oorzaken van supernova-explosies. We hadden er geen idee van dat de bolvormige sterrenhopen, die als fraaie en onveranderlijke fossielen uit het vroegste verleden van ons Melkwegstelsel aan de hemel leken te staan, in werkelijkheid een rijk dynamisch leven leiden, waarin neutronensterren, witte dwergen en sterbotsingen een grote rol blijken te spelen. En we wisten niets van de gigantische thermonucleaire explosies op de oppervlakken van neutronensterren – de zogenoemde Type I röntgenbursts – die in 1975 door John Heise en Josh Grindlay zouden worden ontdekt met de eerste Nederlandse satelliet ANS, met röntgeninstrumenten waarvoor Kees de Jager het initiatief had genomen.

Ed van den Heuvel levert een grote bijdrage geleverd aan het internationale sterrenkundig ruimteonderzoek. Hij is onder andere gastonderzoeker in Princeton (USA) bij het Institute for Advanced Study, en bij de University of California. Hij wint verschillende prijzen, waaronder de Spinozaprijs (1995) en de Descartesprijs van de Europese Unie (2002).