Zwaartekrachtgolven van samensmeltende neutronensterren waargenomen

samensmeltende neutronensterren
Artist impression van twee samensmeltende neutronensterren. Credit: Robin Dienel; Carnegie Institution for Science

Voor het eerst zijn astronomen er in geslaagd om zowel zwaartekrachtgolven als licht afkomstig van dezelfde kosmische gebeurtenis waar te nemen. Het gaat in dit geval om de samensmelting van twee neutronensterren. Met deze waarneming is tevens hard bewijs verzameld dat samensmeltingen van neutronensterren de bron zijn van heel veel van het goud, platina en andere zware elementen in het heelal. Astronomen komen superlatieven te kort om te beschrijven hoe blij ze zijn met deze ontdekking. Er zal in de toekomst op een heel andere manier astronomie bedreven worden, aldus veel astronomen.

Een nieuw soort detector

Zwaartekrachtgolven zijn rimpelingen in de ruimte-tijd die worden opgewerkt door de versnelling van zware kosmische objecten. Deze rimpelingen bewegen met de snelheid van het licht maar ze zijn sterker, ze worden niet geabsorbeerd of verstrooid zoals dat met licht wel gebeurd.

Albert Einstein voorspelde in de algemene relativiteitstheorie als eerste het bestaan van zwaartekrachtgolven. Deze theorie werd in 1916 gepubliceerd. Maar het duurde een eeuw voordat astronomen ze ook rechtstreeks konden waarnemen. Die mijlpaal werd in september 2015 bereikt doen de LIGO voor het eerst zwaartekrachtgolven waarnam die door twee samensmeltende zwarte gaten werden uitgezonden.

Met die ontdekking kregen drie van de mede-oprichters van de LIGO in 2017 de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Het LIGO-team publiceerde daarna nog drie andere ontdekkingen die alle drie te maken hadden met botsende zwarte gaten.

Vandaag, 16 oktober 2017, werd de waarneming van de vijfde zwaartekrachtsgolf aangekondigd. Op 17 augustus 2017 namen de twee detectors van de LIGO, die zich in Washington en Louisiana bevinden, een signaal op dat ongeveer 100 seconden duurde, veel langer dan de fractie van een seconde signalen die door samensmeltende zwarte gaten werden uitgezonden.

De onderzoekers dachten en meteen aan neutronensterren als de bron. Neutronensterren zijn de andere potentiële bron die zwaartekrachtgolven kunnen opwekken. De berekeningen van het LIGO-team wezen inderdaad op objecten met een massa van 1,1 en 1,6 * de massa van de Zon. Dan kan het alleen maar gaan om neutronensterren want samensmeltende zwarte gaten hebben al snel een massa van enkele tientallen zonsmassa elk. Neutronensterren zijn het restant van zware sterren die tijdens een supernova zijn gestorven en waarvan de resterende kern in elkaar is gestort tot een object met een doorsnee van enkele tientallen kilometers en een massa van enkele zonsmassa’s. Een theelepeltje materie van een neutronenster weegt evenveel als alle mensen op Aarde tezamen.

Teamwork

De Virgo zwaartekrachtdetector in de buurt van Pisa in Italië ving ook een signaal op van de gebeurtenis op 17 augustus. Deze gebeurtenis wordt aangeduid als GW170817 (voor de datum van de gebeurtenis). De Fermi telescoop van de NASA die in een baan om de Aarde draait en waarnemingen doet van gammastralen nam ook op hetzelfde moment een uitbarsting van gammastraling waar die uit globaal hetzelfde gebied leek te komen. Gammastraling is de hoogste energievorm van licht.

Al deze informatie zorgde er voor dat astronomen de bron van het signaal konden traceren tot een klein gebied aan de sterrenhemel. Deze informatie werd verspreid onder astronomen en observatoria over de hele wereld met het verzoek om met hun telescopen te gaan zoeken.

Deze zoektocht wierp al heel snel zijn vruchten af want slechts enkele uren na de ontdekking van de zwaartekrachtgolven vonden astronomen een optisch object dat overeenkwam met de opgegeven locatie. Dit object bevindt zich op een afstand van ongeveer 130 miljoen lichtjaar van de Aarde. Deze ontdekking werd gedaan met telescopen van de Las Campanas Sterrenwacht van de ESO in Chili.

positie samensmeltende neutronensterren
Rechts: Een afbeelding gemaakt op 17 augustus 2017 door de Swope Telescpe van de Las Campanas Sterrenwacht in Chili laat de lichtbron zien die door de samensmeltende neutronensterren wordt veroorzaakt in het sterrenstelsel NGC 4993.
De linkerfoto is gemaakt door de Hubble Space Telescope op 28 april 2017. De samensmelting van de neutronensterren heeft nog niet plaatsgevonden en de lichtbron, met de aanduiding SSS17a is nog niet zichtbaar.
Credit: D.A. Coulter, et al.

Er werd een heldere blauwe lichtbron gevonden in een nabij gelegen sterrenstelsel. Voor het eerst werd het gloeiende afval dat vrijkomt bij het samensmelten van twee neutronensterren waargenomen.

Een uur later namen astronomen met behulp van de Gemini Zuid telescoop die zich ook in Chili bevindt dezelfde bron waar in infrarood licht. Andere teams gebruikten verschillende andere instrumenten om de bron in het elektromagnetische spectrum waar te nemen.

Deze waarnemingen toonden aan dat een gedeelte van het waargenomen licht afkomstig was van de radioactieve gloed van zware elementen zoals goud en uranium die werden geproduceerd toen de twee neutronensterren botsten.

Dat is belangrijk nieuws. Astronomen weten al dat de lichtere elementen, voornamelijk helium en waterstof, tijdens de oerknal zijn ontstaan en dat de andere elementen tot en met ijzer ontstaan tijdens kernfusieprocessen in het binnenste van sterren. Maar de herkomst van de zwaardere elementen was nog niet volledig begrepen.

Iedere samensmelting van twee neutronensterren kan meer dan de massa van de Aarde aan edelmetalen als goud, platina en zeldzame aardmetalen zoals die o.a. veel in mobiele telefoons worden gebruikt, produceren. Men schat dat GW170817 ongeveer 10 * de massa van de Aarde aan goud en uranium heeft geproduceerd.

Maar er is nog veel meer

Uitgebreid onderzoek van GW170817 heeft nog andere belangrijke inzichten opgeleverd. Zo hebben astronomen daadwerkelijk aangetoond dat zwaartekrachtgolven zich voortplanten met de snelheid van het licht, zoals Einstein dat heeft voorspeld. De Fermi telescoop detecteerde de uitbarsting van gammastraling 2 seconden nadat het signaal van de zwaartekrachtgolf uitdoofde. En astronomen weten nu ook weer een beetje meer over neutronensterren.

GW170817 is volgens astronomen het begin van heel vele nieuwe ontdekkingen in de astronomie. Zo kunnen dergelijke waarnemingen gebruikt worden op op een andere manier als dat nu gebeurd afstanden tot verre objecten veel nauwkeuriger te bepalen. Dergelijke metingen kunnen, in theorie, astronomen helpen bij het definitief bepalen met welke snelheid het heelal aan het uitdijen is. Schattingen van deze waarde, die de Hubble Constante wordt genoemd, zijn sterk afhankelijk van of ze nu worden berekend uit de kosmische achtergrondstraling (de straling die is overgebleven als restant van de oerknal) of uit waarnemingen van supernova-explosies. Zwaartekrachtgolven bieden mogelijk een nieuwe manier om de Hubble Constante te verbeteren.

Volgens veel astronomen is GW170817 slechts het begin van heel veel nieuwe ontdekkingen. Het laat zien welke richting de astronomie de komende jaren op gaat nu er verschillende methodes beschikbaar zijn om simultaan het gewelddadige heelal waar te nemen.

De twee samensmeltende neutronensterren die de zwaartekrachtgolven hebben opgewekt bevinden zich in het sterrenstelsel NGC 4993 in het sterrenbeeld Hydra – Waterslang. NGC 4993 (ook wel aangeduidt als NGC 4994) is een elliptisch sterrenstelsel. NGC 4993 werd op 26 maart 1879 ontdekt door de astronoom William Herschel.

Eerste publicatie: 16 oktober 2017
Bron: diverse persberichten