De ontdekking van zwaartekrachtgolven van samensmeltende neutronensterren nader verklaard.

Hubble neemt de kilonova waar
De kilonova waargenomen met de Hubble Space Telescope. Credit: Hubble

Voor het eerst hebben astronomen de rimpelingen in de ruimte-tijd waargenomen, die bekend staan als zwaartekrachtgolven, afkomstig van de botsing van een paar dode sterren die we neutronensterren noemen.

Het is voor het eerst dat astronomen getuige zijn van het samensmelten van twee neutronensterren en deze nieuwe bevindingen kunnen helpen met een al tientallen jaren oud mysterie van hoe de zwaarder elementen in het heelal zijn ontstaan, op te lossen.

Wat zijn zwaartekrachtgolven

Het bestaan van zwaartekrachtgolven werd in 1916 voor het eerst voorspeld door Albert Einstein. Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie ontstaat zwaartekracht uit hoe massa de ruimte-tijd kromt. Als een object met een massa beweegt dan wekt het zwaartekrachtgolven op die zich voortplanten met de snelheid van het licht waarbij de ruimte-tijd wordt uitgerekt en wordt samengetrokken in de richting van de verplaatsing.

Zwaartekrachtgolven zijn extreem zwak en daardoor enorm moeilijk te detecteren en zelfs Einstein was er niet helemaal zeker van dat ze echt zouden bestaan. Een eeuw later, in 2016, detecteerden wetenschappers voor het eerst rechtstreeks het bestaan van zwaartekrachtgolven. Ze gebruiken hiervoor de Laser Interferometer Gravitational-Wave Detector (LIGO). Drie wetenschappers kregen begin oktober 2017 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun werk aan de LIGO.

Hoe werkt LIGO?

Afbelding LIGO
Afbeelding van de LIGO-detector. credit: ligo.org

LIGO gebruikt twee detectoren die in de Verenigde Staten staan, eentje in Livingstone, Louisiana en de andere in Hanford, Washington, om de kromming te meten die zwaartekrachtgolven veroorzaken als ze door materie reizen. Iedere detector heft de vorm van een gigantische L waarvan de benen 4 kilometer lang zijn. De benen van ieder detector zijn precies even lang dus laserstralen hebben dezelfde tijd nodig om er doorheen te reiezn. Echter, als zwaartekrachtgolven door de Aarde heen bewegen zorgen ze er voor dat de benen van de detector ééntienduizendste van de diameter van een proton uitzetten en weer inkrimpen. Deze verstoringen in de ruimte-tijd veroorzaken een miniem verschil in de tijd die de laserstralen nodig hebben om door de verschillende benen van de detector te reizen.

De LIGO-detectoren liggen ongeveer 3000 kilometer uit elkaar en daardoor duurt het voor de zwaartekrachtgolven tot 10 milliseconden om van de ene naar de andere detector te reizen. Wetenschappers kunnen dit tijdsverschil gebruiken om te bepalen uit welke richting de zwaartekrachtgolven komen en nu ook de VIRGO-detector bij Pisa in Italië in gebruik is genomen kan de positie nog beter worden bepaald.

De gemakkelijkste zwaartekrachtgolven voor de LIGO zijn uiteraard de meest krachtige die vrijkomen als twee uitzonderlijke zware objecten met elkaar botsen. Alle zwaartekrachtgolven door de LIGO en andere detectoren eerder hebben ontdekt waren afkomstig van het samensmelten van zwarte gaten. Nu zijn ook voor het eerst zwaartekrachtgolven waargenomen die vrijkomen als twee neutronensterren met elkaar botsen en samensmelten.

Wat zijn neutronensterren?

Neutronensterren zijn, net als zwarte gaten, de restanten van sterren die zijn omgekomen tijden gigantische explosies die we supernova’s noemen. Als een ster tot een supernova komt dan stort het materiaal ineen om zo een hele compacte kern te vormen. Als deze kern zwaar genoeg is dan kan er een zwart gat ontstaan die zoveel aantrekkingskracht heeft dat zelfs licht er niet uit kan ontsnappen. Een minder massieve kern zal een neutronenster vormen. De naam is afkomstig van het feit dat de zwaartekracht zo sterk is dat protonen en elektronen worden samengeperst tot neutronen.

Neutronensterren zijn klein, ze hebben een diameter van ongeveer 20 kilometer maar ze zijn zo zwaar dat de massa van een neutronenster ongeveer gelijk is aan de massa van de Zon. Een theelepeltje neutronenstermaterie weegt ongeveer een miljard ton en dat maakt neutronensterren, op zwarte gaten na, de meest compacte objecten in het heelal.

De ontdekking: zwaartekrachtgolven van neutronensterren

Afbeelding VIRGO
Afbeelding van de VIRGO in de buurt van Pisa in Italië. Credit: public domain

Op 17 augustus 2017 detecteerden LIGO en VIRGO een signaal van zwaartekrachtgolven waarbij heel veel energie vrij kwam, iets in de grootte orde van een miljard keer de lichtkracht van ons eigen sterrenstelsel. De energie was genoeg om de 100 miljard sterren in ons sterrenstelsel gedurende ongeveer 50 seconden een miljard keer te overstralen.

Het is voor het eerst dat wetenschappers twee neutronensterren met elkaar zien botsen en samensmelten. Eén belangrijke aanwijzing dat het signaal afkomstig was van een versmelting was de duur van het signaal. Het is de langstdurende zwaartekrachtgolf tot nu toe waargenomen.

Zwarte gaten zijn veel zwaarder dan neutronensterren dus de signalen van hun versmeltingen zijn relatief kort. Eerder ontdekte samensmeltingen van zwarte gaten duurden ongeveer één seconde of twee seconden.

Een andere belangrijke aanwijzing dat dit nieuwe signaal afkomstig was van een versmelting van twee neutronensterren was de massa van de objecten die deze zwaartekrachtgolven opwekten. De frequentie van de zwaartekrachtgolven hangt af van de massa van de objecten die ze opwekken. Hoe hoger de frequentie hoe lager de massa. De twee samensmeltende objecten die het nieuwe signaal opwekten hadden een massa van 1,3 en 1,5 zonsmassa en die massa is kenmerkend voor neutronensterren. De eerste versmelting van zwarte gaten die door de LIGO werd waargenomen hadden een massa van ongeveer 30 zonsmassa elk.

Hoe sterk het nieuwe signaal ook was, het was veel minder krachtig dan de signalen die van het samensmelten van zwarte gaten werden ontvangen. Bij het samensmelten van de twee neutronensterren werd ongeveer 0,025 zonsmassa rechtstreeks in energie omgezet. Dat is heel erg veel maar veel minder dan de eerste waarneming van het samensmelten van twee zwarte gaten waarbij 3 zonsmassa aan energie vrijkwam.

Tot nu toe heeft LIGO vier samensmeltingen van zwarte gaten en één samensmelting van neutronensterren waargenomen. Sommige wetenschappers hadden voorspeld dat er meer neutronensterren zouden samensmelten en minder zwarte gaten maar omgekeerd werd ook voorgesteld. Neutronensterren die samensmelten zullen meer voorkomen in een bepaald gebied maar zwarte gaten produceren meer energie en zijn dus van veel verder weg te detecteren.

Het licht van botsende neutronensterren

VIRGO en LIGO samen konden de locatie van GW170817 bepalen tot een gebied van 28 vierkante graden aan de sterrenhemel (de Volle Maan beslaat, vanaf de Aarde gezien, een gebiedje van ongeveer 0,2 vierkante graden aan de sterrenhemel.)

Dor snel te werken konden astronomen zowel conventionele als zwaartekrachtgolf observatoria tegelijkertijd gebruiken om voor het eerst het licht van een bron van zwaartekrachtgolven waar te nemen. Bij het samensmelten van zwarte gaten komt vermoedelijk helemaal geen licht vrij en dat betekent dat ze met conventionele telescopen helemaal niet te zien zijn.

De astronomen gebruikten een heel scala aan telescopen om radiogolven, infrarode golven, zichtbaar licht, ultraviolet licht, röntgenlicht en uitbarsting van gammastraling gedurende enkele weken te bestuderen. De Swope Telescope van de Las Campanas Sterrenwacht in Chili bepaalde de positie van GW170817 in het sterrenstelsel NGC 4993 op een afstand van ongeveer 130 miljoen lichtjaar in het sterrenbeeld Hydra.

Het is voor het eerst dat wetenschappers zwaartekrachtgolven hebben kunnen koppelen aan een bekend sterrenstelsel. De bron van de zwaartekrachtgolf wordt SSS17a genoemd (Swope Supernova Survey 2017a).

Met behulp van VIRGO en LIGO werden 49 sterrenstelsels geselecteerd waaruit de zwaartekrachtgolven vandaan konden komen en door rekening te houden met de massa van deze sterrenstelsels, de massa helpt bij het berekenen van het aantal sterren in een sterrenstelsel, en zo dus ook de kans op het samensmelten van neutronensterren, werd de bron al in het derde sterrenstelsel van de lijst gevonden.

Reis met de Hubble Telescope naar de locatie van de kilonova in het sterrenbeeld Hydra – Waterslang

Puin van de fusie

SSS17a werd al snel zwakker en de blauwe kleur veranderde in een rode kleur. Dit is een teken dat het puin zich snel verspreidde met de snelheid die de lichtsnelheid benaderde en dat het puin ook snel afkoelde. Volgens de onderzoekers veroorzaakte de fusie van de twee neutronensterren een “kilonova”, een explosie 100 * krachtiger dan een nova, de typische explosie van een ster. Bij de explosie is een massa van ongeveer 10.000 * de massa van de Aarde de ruimte in geslingerd.

De onderzoekers schatten dat tijdens de fusie van de neutronensterren een straal van materiaal met ongeveer de snelheid van het licht naar buiten is geschoten die onder een hoek van 30° ligt van het zichtveld met de Aarde. Al het licht dat de astronomen waarnamen was afkomstig van een huls van materie die de straal omhulde. Ze schatten dat ongeveer 30% van alle toekomstige fuserende neutronensterren heldere gammastralen zullen genereren die vanaf de Aarde waarneembaar zijn.

Het spectrum van het licht dat door deze materie werd uitgezonden liet zien dat het gevuld was met nieuw ontstane elementen. Deze bevindingen bevestigden 70 jaar onderzoek dat aanneemt dat fusies van neutronensterren krachtig genoeg zijn om zware elementen als goud, platina en lood te vormen.

Wetenschappers weten al dat de lichtere elementen, voornamelijk waterstof en helium zijn ontstaan tijdens de oerknal en elementen tot en met ijzer worden gemaakt in de kernen van sterren. Maar de herkomst van de elementen zwaarder dan ijzer was nog altijd onduidelijk. Deze bevindingen leverden het eerste bewijs dat samensmeltingen van neutronensterren de geboorteplaats zijn van de helft van de elementen in het heelal die zwaarder zijn dan ijzer.

Het resultaat van de fusie van de twee neutronensterren is onduidelijk. Het heeft een massa van ongeveer 2,7 zonsmassa dus het bevindt zich in de “leegte” tussen neutronensterren en zwarte gaten. De zwaarste neutronensterren die tot nu toe zijn gevonden hebben een massa van ongeveer 2 zonsmassa en de lichtste zwarte gaten hebben een massa van ongeveer 5 zonsmassa. Het is dus of de zwaarste neutronenster die we kennen of het aller lichtste zwarte gat dat we tot nu toe hebben gevonden maar het kan ook gaan om een superzware neutronenster die nog zal ineenstorten tot een zwart gat. Voor de onderzoekers is dit een nieuw gebied waar ze nog enorm veel over moeten leren.

De resultaten zijn gepubliceerd in tijdschriften als Science, Nature, The Astrophysical Journal en anderen.

Eerste publicatie: 17 oktober 2017