Subrahmanyan Chandrasekhar liet met wiskunde zien dat zelfs sterren een grens hebben. Zijn beroemde massalimiet verklaart waarom een witte dwerg niet onbeperkt zwaar kan worden en legde een deel van de theoretische basis voor ons begrip van neutronensterren, supernova’s en zwarte gaten.
Uitgelichte afbeelding: Subrahmanyan Chandrasekhar. Credit: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Gift of Kameshwar Wali. De American Institute of Physics staat hergebruik toe mits de rechthebbende correct wordt vermeld; bron en gebruiksvoorwaarden.
Een jonge natuurkundige op weg naar Cambridge
Subrahmanyan Chandrasekhar werd op 19 oktober 1910 geboren in Lahore, toen onderdeel van Brits-Indië en nu gelegen in Pakistan. Hij groeide op in Madras, het huidige Chennai, en studeerde natuurkunde aan Presidency College. In 1930 vertrok hij naar de Universiteit van Cambridge.
Tijdens de zeereis naar Engeland werkte hij aan een probleem dat sterrenkundigen bezighield: hoe kan een witte dwerg, het compacte overblijfsel van een ster, weerstand bieden aan zijn eigen zwaartekracht? Het antwoord lag in de toen nog jonge kwantummechanica.
Druk zonder hitte
In gewone sterren houdt de warmte uit kernfusie de zwaartekracht in evenwicht. In een witte dwerg is die brandstof grotendeels opgebruikt. De ster wordt ondersteund door elektronendegeneratiedruk: een kwantumeffect dat voorkomt dat alle elektronen dezelfde toestand innemen.
Chandrasekhar combineerde deze kwantumfysica met Einsteins speciale relativiteitstheorie. Hij ontdekte dat elektronen bij toenemende dichtheid steeds sneller bewegen en uiteindelijk relativistisch gedrag vertonen. Daardoor groeit hun tegendruk niet snel genoeg om iedere hoeveelheid massa te dragen.
De grens van ongeveer 1,4 zonsmassa
Zijn berekeningen leverden een maximale massa op van ongeveer 1,4 keer de massa van de zon. De precieze waarde hangt onder meer af van de chemische samenstelling en rotatie, maar het principe is fundamenteel: boven de Chandrasekhar-limiet kan een koude, niet-roterende witte dwerg niet stabiel blijven.
Wat daarna gebeurt, hangt af van de ontstaansgeschiedenis en omstandigheden. Een witte dwerg in een dubbelstersysteem kan een thermonucleaire type-Ia-supernova ondergaan. De kern van een zware ster kan verder instorten tot een neutronenster of, bij voldoende massa, tot een zwart gat. De limiet is dus geen eenvoudige knop die altijd precies hetzelfde eindresultaat geeft, maar wel een beslissende grens in sterevolutie.
Een idee dat eerst werd afgewezen
De conclusie was in de jaren dertig omstreden. De beroemde Britse astronoom Arthur Eddington verwierp Chandrasekhars resultaat publiekelijk. Dat was extra pijnlijk omdat Eddington een van de gezaghebbendste sterrenkundigen van zijn tijd was.
Chandrasekhar bleef bij de wiskunde, publiceerde zijn werk en richtte zich vervolgens op andere onderzoeksgebieden. Pas later, toen neutronensterren en zwarte gaten een vaste plaats in de astrofysica kregen, werd duidelijk hoe belangrijk zijn inzicht was.
Veel meer dan één limiet
Vanaf 1937 werkte Chandrasekhar aan de Universiteit van Chicago, waar hij bijna zestig jaar verbonden bleef. Hij leverde belangrijke bijdragen aan sterrenstructuur, radiatief transport, sterdynamica, vloeistofdynamica, algemene relativiteit en de wiskundige theorie van zwarte gaten. Ook was hij van 1952 tot 1971 hoofdredacteur van The Astrophysical Journal.
In 1983 ontving hij de helft van de Nobelprijs voor Natuurkunde voor zijn theoretische onderzoek naar natuurkundige processen die bepalend zijn voor de structuur en evolutie van sterren. Hij overleed op 21 augustus 1995 in Chicago.
De naam achter Chandra
NASA vernoemde zijn grote röntgentelescoop naar hem: het Chandra X-ray Observatory. ‘Chandra’ was de verkorte naam die hij onder vrienden en collega’s gebruikte en betekent in het Sanskriet onder meer maan of lichtgevend. De telescoop werd in 1999 gelanceerd en onderzoekt juist de extreme objecten waarvoor Chandrasekhars theoretische werk zo belangrijk werd.
Zijn nalatenschap is bijzonder omdat zij laat zien wat een theoretische berekening kan doen. Lang voordat neutronensterren en zwarte gaten goed waarneembaar waren, had Chandrasekhar al aangetoond dat de natuur witte dwergen niet onbeperkt laat voortbestaan.
Bronnen
- Nobel Prize — persbericht Nobelprijs voor Natuurkunde 1983.
- University of Chicago Library — biografische toelichting bij de Chandrasekhar Papers.
- University of Chicago — Subrahmanyan Chandrasekhar.
- Chandra X-ray Center — Chandrasekhar en de naamgeving van Chandra.
- Wikimedia Commons/AIP — portret, credit en gebruiksvoorwaarden.