SRON - Zwaarste sterexplosies

De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Tuesday Jul 07th, 2020

BeppoSAX / XMM-Newton / Chandra: De zwaarste sterexplosies

Missie in het kort
Belangrijkste resultaten
Voortgezet onderzoek
Links

Missie in het kort

Bij het einde van zware sterren doen zich onvoorstelbaar krachtige explosies voor. De kernfusieprocessen in het binnenste van zo’n ster kunnen op een gegeven moment onvoldoende druk genereren om de verpletterende zwaartekracht te weerstaan. De sterkern klapt in elkaar tot een neutronenster of een zwart gat en de buitenste lagen vliegen het heelal in. Tijdens zo’n supernova-explosie is de helderheid van de ster miljoenen maal het oorspronkelijke niveau. Vaak is hij tot in de uithoeken van het heelal te zien, in een breed bereik van golflengten.

Maar het kan er in het heelal nóg heftiger aan toegaan. In 1963 wordt er een internationaal verdrag gesloten die het uitvoeren van kernproeven in de atmosfeer verbiedt. Amerika brengt satellieten in de ruimte om te controleren of dat verbod ook wordt nageleefd. De satellieten hebben een gammastralingsdetector aan boord; kortdurende storen gammastraling zijn een kenmerk van zo’n kernproef. In 1967 meet de Vela-4 satelliet inderdaad een gammaflits. Alleen, die blijkt niet vanaf de aarde te komen. Wat is de aard van deze krachtigste explosies in het heelal sinds de oerknal?

Dertig jaar verandert er niets aan dit mysterie. In 1997 slaagt de Italiaans-Nederlandse satelliet BeppoSax er in om het raadsel deels op te lossen. De Nederlandse groothoekröntgencamera’s weten de positie van gammaflitsers nauwkeurig te bepalen aan de hand van hun kortdurend ‘nagloeien’ in röntgenstraling. Telescopen op aarde die in zichtbaar licht metingen doen, worden op de positie gericht. Op de hemelpositie waar het nagloeien van de röntgenstraling wordt waargenomen, blijkt in het zichtbaar licht een vlekje te zien. Het gaat om een melkwegstelsel. Astronomen van de Universiteit van Amsterdam, onder leiding van Jan van Paradijs, slagen er in spectra op te nemen in het zichtbare licht. Uit de roodverschuiving van de spectraallijnen kan de van ons af gerichte snelheid worden gemeten. En die snelheid kan, op de 'maat' van het uitdijende heelal, worden vertaald in een afstand.

De gammaflitsen vinden plaats in sterrenstelsels op 5 tot 12 miljard lichtjaar afstand. En dus gaat het inderdaad om superexplosies, die zelfs op die afstanden, bij ons de gammahemel tijdelijk verblinden. Inmiddels is duidelijk dat een deel van de gammaflitsen – er worden er zo’n twee per dag waargenomen – samenvallen met uitzonderlijk heldere supernovae in verre sterrenstelsels. Soms zijn die een miljoen keer helderder dan een ‘gewone’ supernova. In seconden zenden deze explosies net zoveel energie uit als de zon in zijn hele leven doet.
Lees meer: gammaflitsenEr zijn sterke aanwijzingen dat de gammaflitsen ontstaan bij de vorming van een snel roterend zwart gat. Dat kan door de explosie van een heel zware ster, minimaal tientallen malen zwaarder dan de zon, of door twee neutronensterren die steeds nauwer om elkaar draaien en versmelten. Materie valt via een schijf die duizenden malen per seconde om zijn as draait, in het zwarte gat. Langs de as loodrecht op de schijf ontsnapt straling en materie. De materie-inval is op een gegeven moment zo heftig dat de schijf ondoorzichtig wordt voor neutrino’s. Dat zijn elementaire deeltjes die normaal overal doorheen vliegen. Door de druk die zo ontstaat worden materieklonten ter grootte van enkele aardmassa’s langs de schijf-as weggeschoten met vrijwel de lichtsnelheid. Onderling botsende klonten zorgen voor de gammaflitsen; de botsing met interstellaire materie verderop is de oorzaak van het nagloeien in röntgenstraling, zichtbaar licht en radiostraling. Al met al blijken gammaflitsen en nagloeiers dus secundaire verschijnselen te zijn uit de omgeving van een zich vormend zwaar, snel draaiend zwart gat. De aard en het gedrag van materieschijven om neutronensterren en zwarte gaten laat zich vooral in röntgenstraling goed onderzoeken. NASA’s Chandra-satelliet en de Europese XMM-Newton behoren tot de belangrijkste instrumenten om deze fenomenen te bestuderen. En natuurlijk de eigenlijke explosies van supernovae.
Lees meer: Explosies in het heelalExplosies doen zich elke dag voor in het heelal. Ze zijn er in soorten en maten. Naar menselijke maatstaven zijn ze eigenlijk allemaal onvoorstelbaar krachtig. Relatief ‘kleine’ explosies op onze eigen zon die gepaard gaan met zonnevlammen – onder andere onderwerp van studie in de Solar Maximum Mission – stellen kosmisch gezien niets voor maar degraderen als het ware onze atoombommen tot klappertjespistooltjes. Er blijken veel zwaardere explosies voor te komen met ‘sterrenvlammen’ bij andere sterren.

Zwaardere explosies kunnen optreden in nauwe dubbelstersystemen, vooral als een van de componenten bestaat uit een witte dwerg of een neutronenster. Van de ‘normale’ buurster wordt gas afgesleurd dat terechtkomt in een snel roterende schijf, om vervolgens door te ‘lekken’ naar het oppervlak van de witte dwerg of neutronenster. Onder druk van de enorme zwaartekracht en temperatuur raakt de gaslaag – vaak niet meer dan een paar meter dik – kritisch en explodeert in een thermonucleaire explosie. Die verraadt zich als een röntgenflits en is ook vaak op andere golflengten te zien.

Belangrijkste resultaten

BeppoSax is een Italiaans-Nederlandse röntgensatelliet, gelanceerd op 30 april 1996 en operationeel tot 30 april 2002. De satelliet is vernoemd naar een Italiaans kernfysicus en SAX betekent “Satellite per Astronomia X” – Italiaans voor röntgensatelliet. De Nederlandse bijdrage bestaat uit twee groothoekcamera's (WFC's) met een beeldveld van 40 bij 40 graden. Ze zijn gebouwd onder leiding van SRON. De satelliet is vervaardigd door de Italiaanse ruimtevaartorganisatie ASI. Eén van de instrumentpakketten is in staat om gammaflitsen waar te nemen, maar zonder nauwkeurige informatie over de richting.
Lees meer: groothoekcamera'sIn totaal registreren de WFC’s van 54 gammaflitsen het nagloeien in röntgenstraling. De positie kan door de WFC's vaak met een nauwkeurigheid van een boogminuut worden bepaald; voldoende om andere telescopen op die positie te laten zoeken naar het eigenlijke object: een ververwijderd melkwegstelsel. In februari 1997 lukt dat een team van astronomen onder leiding van Jan van Paradijs (1946 – 1999) voor het eerst. Ze zien de optische ‘nagloeier’ in opnamen van de William Herschel-telescoop op het eiland La Palma. Op de positie staat een snel zwakker wordend sterretje; later zien ze op die plek een diffuus neveltje dat typerend is voor een ver verwijderd sterrenstelsel. Kort daarna, bij een volgende gammaflits, slagen ze er in het spectrum van zo’n zwakker wordende ster vast te leggen. Uit de spectraallijnen blijkt voor het eerst de afstand van zulke gammaflitsen: miljarden lichtjaren. Daarmee behoren ze tot de meest krachtige explosies in het heelal: soms tientallen malen energierijker dan een ‘gewone’ supernova-explosie.

Chandra is een röntgensatelliet van NASA, gelanceerd op 23 juli 1999 met de Spaceshuttle Columbia. XMM-Newton is een röntgensatelliet van ESA, gelanceerd op 10 december 1999 met een Ariane-5. De eerste satelliet heeft door zijn goed gepolijste spiegels een erg scherp ‘gezichtsveld’ en de tweede is, vanwege de 58 in elkaar geschoven spiegels, gevoeliger voor zwakke röntgenstraling omdat het foton-verzamelende oppervlak groter is. Beide telescopen zijn nog steeds actief en vullen elkaar aan in het sterrenkundig röntgenonderzoek. SRON heeft aan de spectrometers van beide satellieten een belangrijke bijdrage geleverd. Het gecombineerde scherpe en gevoelige vermogen maakt het duo zeer geschikt om onderzoek te doen aan materie onder extreme omstandigheden. Zoals in explosies en in de directe omgeving van zwarte gaten en neutronensterren.
Lees meer: röntgenwaarnemingen van neutronensterren en zwarte gatenNeutronensterren zijn de uitgebrande restanten van zware sterren. De theorie voorspelt dat er verschillende neutronensterren moeten bestaan met eigenschappen die van de massa afhangen. Of dat zo is … moet volgen uit de waarnemingen. De röntgentelescopen meten de spectra, en daaruit volgt niet alleen informatie over de samenstelling van de materie, maar ook waar de materie zich bevindt in de roterende schijf om de neutronenster of zwart gat. Röntgenlicht dat ontstaat boven de schijf, weerkaatst aan de schijf en neemt de ‘vingerafdruk’ van de schijfmaterie mee. Die vingerafdrukken blijken vervormd door de snelle rotatie, die op die manier ook te meten is. Er kan ook worden gemeten wat de rotatiesnelheid van het zwarte gat zelf is. En door het meten van röntgenspectraallijnen kan ook worden bepaald hoeveel de roodverschuiving is die door het sterke zwaartekrachtsveld wordt veroorzaakt. In geval van neutronensterren wordt duidelijk hoe materie uit de schijf zich geleidelijk ophoopt op het oppervlak. Als er voldoende gas is verzameld, kan die in een oogwenk exploderen in een kernfusie. Het resultaat is een röntgenflits. Waterstofgas, helium of koolstofgas, elk heeft zo zijn eigen kenmerken in dergelijke explosies. Waterstofflitsen duren wat langer en heliumflitsen duren wat korter. Zeldzame superflitsen, ontdekt met BeppoSax, blijken duizend maal langer te duren en zijn ook duizendmaal krachtiger. Ze ontstaan bij koolstofverbranding. De reactieproducten, zoals na heliumverbranding bijvoorbeeld zwavel en zuurstof, laten daarna ook weer hun vingerafdruk achter in het röntgenspectrum. Overigens worden tijdens de flits ook heel korte trillingen waargenomen, in de orde van milliseconden. Die markeren de omwentelingstijd van de neutronenster: rechtstreeks te meten dus! Oscillaties worden ook waargenomen in de röntgenstraling van materieschijven om zwarte gaten, en vertellen dan iets over de rotatietijd van de schijf.

Voortgezet onderzoek

Gammaflitsen worden nu bijna routinematig waargenomen, met name door de SWIFT-satelliet van NASA, gelanceerd op 20 november 2004. Er zijn inmiddels, halverwege 2011, ongeveer 1000 gebeurtenissen vastgelegd. Het blijkt dat er verschillende soorten flitsen voorkomen, met verschillen in de flitsduur en intensiteit. De lange, intense flitsen hangen samen met het einde van zware sterren: een zware supernova. Er zijn extreme gevallen die een andere oorzaak hebben. Op 28 maart 2011 begon een gamma’flitser’ die 2,5 maanden aanhield! Waarschijnlijk verorberde een superzwaar zwart gat in het centrum van een ver sterrenstelsel een hele ster, en was de stralingsbundel loodrecht op de materieschijf precies op de aarde gericht.

Het onderzoek van materie in extreme omstandigheden, nabij neutronensterren en zwarte gaten, profiteert sterk van de waarnemingen van de Rossi X-Ray Timing Explorer Mission (RXTE), een NASA-missie met internationale participanten. De satelliet kijkt met name naar de oscillaties, soms op milliseconden-schaal, die zich voordoen in röntgendubbelsterren of nabij (zware) zwarte gaten. De missie is al sinds 1995 actief.

Een belangrijke röntgenmissie in de nabije toekomst is ASTRO-H. Deze Japanse satelliet moet in 2014 worden gelanceerd. SRON levert belangrijke technologie voor de röntgenspectrometer SXS. Het instrument kan tegelijkertijd nauwkeurige spectra opnemen en kaarten maken van het gebied rond groepen van sterrenstelsels en bijvoorbeeld supernovaresten.

Toekomstig onderzoek rond exploderende sterren zal zich vooral concentreren op het ontraadselen van de aard van donkere materie en donkere energie. En op de processen die zich afspelen in het extreem sterke zwaartekrachtsveld rond compacte objecten, met name zwarte gaten. Over donkere materie en donkere energie is een apart venster opgenomen onder de categorie Vragen voor de toekomst.