Neutronensterren botsen voor de ogen van astronomen

Van de Nederlandse LOFAR-radiotelescoop tot aan de Hubble-ruimtetelescoop, van de Very Large Telescope tot aan de Fermi-satelliet. Astronomen hebben afgelopen augustus werkelijke alle telescopen die ze konden vinden op een klein plekje aan de zuidelijke hemel gericht. Daar botsten twee neutronensterren op elkaar, een van de meest gewelddadige gebeurtenissen in het universum. De klap, op een afstand van 130 miljoen lichtjaar, werd als eerste gemeten door de LIGO- en Virgo-detectoren, als een zwaartekrachtgolf.

De ontdekking is bijzonder. Het is nog maar de vijfde detectie van zwaartekrachtgolven ooit. Begin deze maand werd er nog een Nobelprijs uitgereikt voor de allereerste detectie in 2015. Nadat er eerder steeds samensmeltende zwarte gaten werden gevonden, is dit de eerste keer dat er twee neutronensterren zijn gezien. Dat zijn kleine maar superzware kernen van sterren die aan het einde van hun leven zijn geëxplodeerd. Daarbij is het buitenste van de ster de ruimte in geblazen en stort de kern in tot een neutronenster. Bij de waargenomen botsing draaiden twee van deze neutronensterren steeds sneller om elkaar heen en klapten uiteindelijk op elkaar.

De grote waarnemingscampagne waar wereldwijd duizenden astronomen bij betrokken waren was niet voor niets, zo blijkt vandaag bij de presentatie van de resultaten bij onder andere het Nikhef, het Nationaal instituut voor subatomaire fysica. Er is voor het eerst een directe bevestiging dat korte gammaflitsen van botsende neutronensterren afkomstig zijn. Astronomen vonden sporen van goud en platina in de explosie, waarmee de productie van deze zeldzame elementen is verklaard. En we weten dat zwaartekrachtgolven met de lichtsnelheid reizen. De resultaten zijn vandaag in een aantal wetenschappelijke artikelen bekend gemaakt.

Spektakel

Het spektakel begon op 17 augustus 2017 om 14:41 uur met de waarnemingen van zwaartekrachtgolven door de twee LIGO-detectoren in de Verenigde Staten en de Virgo-detector in Noord-Italië. Voor een periode van ongeveer 100 seconden waren de golven in de ruimtetijd te meten, veroorzaakt door de allerlaatste omwentelingen van de twee neutronensterren voordat ze op elkaar stortten. In de laatste momenten draaiden de neutronensterren met massa van 1,1 en 1,6 keer die van onze zon meer dan 500 keer per seconde om elkaar heen, met een duizelingwekkende veertig procent van de lichtsnelheid.

Door het gebruik van de drie detectoren, konden de betrokken wetenschappers een relatief klein gebied aanwijzen aan de zuidelijk hemel. Daar moest de bron van deze zwaartekrachtgolven zich bevinden. Nu detecteerde de Fermi-satelliet, die de gehele hemel continu afspeurt naar hoogenergetische gammastraling, precies in dat gebied een korte uitbarsting. Gezien de timing en plek van de uitbarsting, moest dit de botsing zijn die LIGO en Virgo hadden gemeten.

Zo was er een accurate positiebepaling aan de hemel en werden er nog veel meer telescopen ingeseind. Weliswaar waren er geen zwaartekrachtgolven of gammastraling meer te zien, maar wellicht was er nog een ‘nagloed’ van het epische evenement. En die was er. Telescopen gevoelig voor een groot deel van het elektromagnetische spectrum vonden signalen in het optische, röntgen-, ultraviolette, infrarode én radio-spectrum. Naar verluidt is de explosie met radiotelescopen nog steeds te zien.

Kijkje in een neutronenster

Eerlijk is eerlijk, de eerste detectie van zwaartekrachtgolven van botsende neutronensterren zat eraan te komen. Volgens veel astronomen was het een kwestie van tijd. Maar dat er tegelijkertijd zóveel signalen van dezelfde botsing werden gemeten, was een verrassing. Dat leidde tot een flink aantal wetenschappelijke resultaten.

Naast de eerder genoemde resultaten laat Chris Van Den Broeck weten dat de botsing een tipje van de sluier heeft opgelicht wat betreft de structuur en afmeting van neutronensterren. Hij is astrofysicus bij Nikhef en de Rijksuniversiteit Groningen en was betrokken bij het onderzoek. “Neutronensterren bestaan vermoedelijk grotendeels uit neutronen, maar hoe ze zich gedragen weten we niet precies”, zegt hij. “Is de materie supervloeibaar of supergeleidend? En hoe ontstaan die extreem sterke magneetvelden die we waarnemen? We weten het niet goed. Via zwaartekrachtgolven kun je in die allerlaatste momenten voor de botsing de neutronensterren zien vervormen door de sterke getijdenkrachten. Dat zijn krachten die de sterren op elkaar uitoefenen. Je kunt zo als het ware in het binnenste van zo’n ster kijken.”

Meest waargenomen

In totaal waren er zo’n zestig observatoria en duizenden astronomen betrokken bij deze ontdekking. Van Den Broeck heeft nog nooit zoiets meegemaakt. “Dit is uniek, ik denk dat dit een van de meest waargenomen astronomische objecten ooit is”, zegt hij. “Ik hoop dat we in de toekomst nog veel meer van dit soort grote campagnes hebben. We leren hier veel van. Niet alleen over neutronensterren of zwarte gaten zelf, maar bijvoorbeeld ook over de uitdijing van het heelal. Deze metingen lenen zich goed voor verre afstandsbepalingen.”