Een nieuw tijdperk voor astronomie: ontdekking van 2 botsende neutronensterren

Voor de eerste keer in de geschiedenis hebben wetenschappers gravitatiegolven en licht waargenomen van dezelfde cosmische gebeurtenis. Het gaat om de spectaculaire samensmelting van 2 superdichte hemellichamen bekend als neutronensterren.

Deze eerste gecombineerde waarneming is het begin van een nieuw tijdperk in de astrofysica. De waarnemingen zijn meteen ook een waterdichte bevestiging voor de theorie dat botsende neutronensterren verantwoordelijk zijn voor het gros van het universum zijn zware elementen zoals goud, platinum en zilver.

De reactie van de wetenschappers spreekt boekdelen. “Superlatieven schieten te kort,” zei Richard O'Shaughnessy, wetenschapper van het LIGO project. “Deze informatie zal de studie van het heelal sterk veranderen. Het is fantastisch!”

Artistieke impressie van 2 samensmeltende neutronensterren.

(Robin Dienel; Carnegie Institution for Science)

Een nieuwe manier van detecteren

Gravitatiegolven zijn rimpels in de structuur van ruimte-tijd, veroorzaakt door de versnelling van gigantische hemellichamen. Deze rimpels bewegen met de lichtsnelheid, maar worden niet verstrooid of geabsorbeerd zoals licht.

Albert Einstein voorspelde het bestaan van de gravitatiegolven in zijn algemene relativiteitstheorie, gepubliceerd in 1916. Het koste astronomen 100 jaar om ze uiteindelijk ook waar te nemen in september 2015 met behulp van LIGO. De rimpels waren afkomstig van twee samensmeltende zwarte gaten.

De ontdekking leverde de drie mede-oprichters van het project recent nog de Nobelprijs voor Fysica op. Het team ontdekte niet veel later nog 3 andere botsende zwarte gaten.

De vijfde detectie van gravitatiegolven, die vandaag (16 okt.) werd aangekondigd, in een persconferentie van de ESO, is een geheel nieuwe ontdekking. Op 17 augustus pikten de 2 LIGO detectoren een signaal op dat 100 seconden aanhield, een stuk langer dan de fractie-van-een seconde krimpjes afkomstig van de zwarte gaten.

“Het werd ons vrijwel meteen duidelijk dat de bron hoogstwaarschijnlijk neutronensterren waren, de andere langverwachte bron die we hoopten waar te nemen,” David Shoemaker, woordvoerder voor LIGO Scientific Collaboration.

Berekeningen door het LIGO team sugerreren dat elk botsend object 1,1 tot 1,6 maal de massa van de zon bevat, exact goed voor neutronensterren.

Neutronensterren, de ingeklapte resten van gigantische reuzensterren gestorven in supernova explosies, zijn één van de meest exotische hemellichamen in het heelal.

“Ze zijn het dichtst dat je kan komen bij een zwart gat zonder dat het een zwart gat is,” zegt astrofysicus Tony Pïro. “Slechts één theelepel met materiaal van een neutronenster weegt evenveel als alle mensen op aarde tesamen!”

Links: Foto genomen op 28 april 2017 met behulp van de Hubble ST, er is nog geen sprake van de explosie.
Rechts: Foto genomen op 17 augustus 2017 met de Swope Telescoop in het Las Campanas observatorium in Chili. Het licht afkomstig van de botsende neutronensterren in NGC 4993 is duidelijk zichtbaar. (D.A. Coulter, et al.)

Teamwork

De Virgo detector in Pisa (Italië) heeft eveneens een signaal opgepikt. Bovendien registreerde NASA’s Fermi Gamma ray ruimtetelescoop een gigantische uitstoot van gamma straling op hetzelfde tijdstip en komende vanuit dezelfde locatie in het heelal.

Al deze informatie stelde wetenschappers in staat om het signaal te traceren tot een klein stukje van de zuidelijke hemel. De grond- en ruimtetelescopen wereldwijd konden met deze gegevens op zoek gaan naar de bron. Slechts enkele uren na de ontdekking van de gravitatiegolven ving een telescoop in Las Campanas Observatory (Chili) een overeenstemmende lichtbron op, zo’n 130 miljoen lichtjaar van ons vandaan.

“We zagen een helderblauwe lichtbron in een nabij gelegen sterrenstelsel. Het is de eerste keer dat de gloeiende resten van een botsing tussen neutronensterren werd waargenomen,” zei Josh Simon.

Een uur later pikten onderzoekers van de Gemini South Telescope dezelfde lichtbron op in infraroodlicht. Andere teams volgden om het fenomeen over het hele elektromagnetische spectrum te onderzoeken, van x-stralen tot radiostralen.

Een deel van het geobserveerde licht bleek de radioactieve gloed van zware elementen zoals goud en uranium te zijn.

Een belangrijke ontdekking. Wetenschappers wisten al dat de herkomst van lichtere elementen zoals waterstof en helium terug te vinden was in de oerknal en dat zwaardere elementen tot ijzer ontstonden door kernfusie in sterren. De oorsprong van nog zwaardere elementen was tot nu toe echter nog theorie.

“We hebben aangetoond dat de zwaarste elementen in de periodieke tabel, wiens aanwezigheid gehuld was in mysterie, afkomstig zijn van twee botsende neutronensterren,” aldus Edo Berger. “Elke samensmelting produceert meer dan een aardse massa aan metalen zoals goud en platina, en veel van de zeldzame elementen die ook in onze smartphones zitten.”

De uitbarsting van GW170817 produceerde wellicht zo’n 10 aardse massas aan goud en uranium.

Wordt vervolgd …

De studie leverde enkele belangrijke inzichten op.

Het bewees dat gravitaitegolven inderdaad bewegen met de snelheid van het licht. (De Fermi Ruimtetelescoop pikte de gammastraling slechts 2 seconden later op dan de gravitatiegolven). Astronomen weten nu ook weer een klein beetje meer over neutronensterren.

De detectiemethoden die leidden tot deze belangrijke astronomische ontdekking geven de wetenschappers opnieuw een extra middel in de zoektocht naar de mysteries van het heelal.