De zwaartekrachtgolven afkomstig van samensmeltende neutronensterren blijven de gemoederen bezighouden. Want wat is er van deze neutronensterren geworden?

Dit artikel is oorspronkelijk verschenen in het onlangs geheel vernieuwde blad ZENIT, waarin je elke maand alles kunt lezen over sterrenkunde, weerkunde en ruimteonderzoek.

Bijna twee jaar zijn verstreken sinds de ontdekking van GW170817. Het was de vierde gedetecteerde bron van zwaartekrachtgolven en de eerste veroorzaakt door samensmeltende neutronensterren, waardoor het mogelijk bleek deze tot nu toe unieke gebeurtenis ook in elektromagnetische straling te onderzoeken. Sinds begin vorig jaar verschenen meer dan 150 wetenschappelijke papers over dit onderwerp, een dikke 50 daarvan zelfs in dit jaar.

Bij het samensmelten van de neutronensterren die de kilonova van 17 augustus 2017 veroorzaakte, werd een deel van de materie uitgestoten in relativistische jets. Nabij het centrum zijn ook de rode donut (kleine ovaal, aangedreven door kernfusie) en de blauwe delen (kegelstructuren, aangedreven door thermische energie) van de cocon te zien. De blauwe structuren zijn zwaartekrachtgolven. Afbeelding: NASA’s Goddard Space Flight Center / CI Lab.

Waarschijnlijk herinnert iedere sterrenkundeliefhebber het zich nog wel. Oktober 2017: een dubbele persconferentie, tegelijk in Washington DC en op het hoofdkwartier van ESO (European Southern Observatory) nabij München. De aankondiging van een zwaartekrachtgolfdetectie door de observatoria van LIGO en Virgo, gedaan op 17 augustus dat jaar, met vervolgwaarnemingen in alle delen van het elektromagnetisch spectrum. Een korte gammaflits en een kilonova, de botsing van twee om elkaar tollende neutronensterren waarbij flinke hoeveelheden lanthaniden en zelfs goud en platina ontstonden. De locatie: een sterrenstelsel in de Waterman op ongeveer 130 miljoen lichtjaar afstand. Helaas bleek het frequentiebereik van LIGO en Virgo onvoldoende om de ringdown te zien, het natrillen van het bij de botsing ontstane object, zodat onduidelijk bleef wat nu precies de plaats had ingenomen van de twee neutronensterren. Er restten nog meer open eindjes: cocon of relativistische jet, zware metalen, relativiteitstheorie… Tijd om de huidige stand van zaken te onderzoeken.


Relativistische jet of cocon?
De kilonova leverde een structuur op van alzijdig uitgestoten materie: een cocon samengesteld uit een op rode golflengten stralende ‘donut’ in het (voormalige) baanvlak van de om elkaar heen draaiende neutronensterren en haaks daarop twee kegels met hun emissie vooral in het blauwe deel van het spectrum (zie ook de afbeelding hierboven). De snelheid van de materie in de kegels was drie keer hoger dan die in de donut zodat de cocon als geheel een langwerpige vorm kreeg.

Afwijkend van de meeste korte gammaflitsen nam de nagloed van GW170817 op verschillende golflengten langzaam in helderheid toe tot na 164 dagen een relatief snel verval inzette. Opvallend hierbij was dat de energieverdeling over het hele frequentiebereik tot een jaar na dato onveranderd bleef.

In 2017 kon men niet achterhalen of er ook relativistische jets waren ontstaan en zo ja, of deze door de trager uitgestoten materie van de kilonova heen konden breken. Tweehonderd dagen na de samensmelting kwam het antwoord: een interferometrisch netwerk van 33 radiotelescopen op 5 continenten zag toen een bron kleiner dan 2 milliboogseconden, onder het scheidend vermogen van het netwerk waarvan de grootste basislijn, tussen de Verenigde Staten en Zuid Afrika, 11.878 km bedroeg. Twee milliboogseconden op de gegeven afstand was te klein voor een cocon en dus moest het wel om een relativistische jet gaan: met een kernbreedte van 3,5 graad gezien onder een hoek van 15 tot 20 graden en met een energie-inhoud gelijk aan wat alle sterren in de Melkweg samen in één jaar produceren!

Relativistische jets werden gelanceerd vanaf de magnetische polen van het object dat na de botsing achterbleef (zie verderop). De jet van GW170817 vertoont structuur. In de kern halen uitgestoten deeltjes bijna de lichtsnelheid, daaromheen bevinden zich ‘schillen’ met steeds langzamer bewegende materie tot aan een naadloze overgang naar het blauwe deel van de cocon. Deze vorm ontstaat vanzelf wanneer de jet later dan de cocon ontstaat en zich eerst door langzamer uitgestoten gas en stof moet boren. De ondervonden tegendruk remt de kop af zodat de materie eronder zijwaarts wordt weggedrukt en vertraagt.

Structuren (op radiogolflengten) in de jet verplaatsen zich schijnbaar 4,1 keer sneller dan het licht, een effect dat ontstaat als straling uitzendende materie met zeer hoge snelheid min of meer in de richting van de waarnemer beweegt: de snel bewegende materie houdt dan als het ware haar eigen fotonen bij. Dit is vaker waargenomen bij quasars, maar in stellaire bronnen is het een zeldzaamheid. We kunnen momenteel alleen de jet zien die min of meer naar ons toe is gericht, de andere, van ons af wijzende jet zal waarschijnlijk pas over 30 jaar in beeld komen.

Aan deze ontdekking zit een Nederlands tintje: de data van alle deelnemende radiotelescopen werd verwerkt bij JIVE in Dwingeloo.

De controlekamer van een van de twee LIGO-observatoria, in Livingston, tijdens de eerste observatiesessie. Afbeelding: Wikipedia.

Wat is er ontstaan?
De op elkaar gebotste neutronensterren waren ongeveer 1,3 en 1,5 keer zo zwaar als de zon. Zeshonderdste zonsmassa werd uitgestoten als cocon, een onbekende hoeveelheid omgezet in zwaartekrachtgolven. Omdat het restant rond 2,7 zonsmassa is, zou GW170817 theoretisch een zwart gat hebben achtergelaten: neutronensterren kunnen naar verwachting niet zo zwaar zijn. Dit gebeurde echter niet meteen na de botsing. Tussen de zwaartekrachtgolf en de gammaflits zat 1,7 seconden, tijd die te verklaren is als er vóór de ineenstorting tot een zwart gat nog 1,14 seconden een hyperzware neutronenster heeft bestaan. Zo kreeg de uitgestoten materie van de cocon de tijd om uit de greep van het zwarte gat te komen én moest de jet zich eerst door deze materie boren om zichtbaar te worden.

Hoe kan een neutronenster met overgewicht voorkomen dat ze direct ineenstort tot een zwart gat? Allereerst zal ze differentiële rotatie vertonen omdat de neutronenster ontstaan is uit twee objecten met verschillende draaisnelheid. Als ze bovendien een voldoende krachtig, door de rotatie getordeerd magneetveld heeft, kunnen deze twee samen de neutronenster theoretisch gezien in stand houden tot een massa van 20% boven de maximale limiet. Het object is echter ook ovaal (de samensmelting is niet meteen compleet) zodat energie wegvloeit onder uitzending van extra zwaartekrachtgolven. Samen met het dissiperen van de differentiële rotatie, volgt al snel de onvermijdelijke ineenstorting. Op de plek van GW170817 staat nu dus een zwart gat. Of toch niet? Honderdvijftig dagen na de samensmelting zagen de satellieten Chandra en XMM Newton een plotse toename in röntgenstraling. Waar licht of infrarood iets zegt over de uitgestoten materie, verraadt röntgenstraling iets over het centrale object zelf. Men twijfelt of de waargenomen flare echt is en niet een fout in de dataverwerking, maar als het klopt, betekent dit dat er nog steeds een centraal object is. Geen zwart gat dus maar een stabiele hyperzware neutronenster of misschien een ander exotisch object? Als de ster zijn differentiële rotatie en getordeerde magneetveld (van minstens 1012 Gauss) heeft vastgehouden, zou het theoretisch kunnen. De flare kan dan het gevolg zijn van het losbreken van verstrengelde magnetische veldlijnen. Misschien kan NICER (Neutronstar Interior Composition Explorer), een experiment dat in juni 2018 naar het internationale ruimtestation ISS is gebracht, meer licht in de duisternis brengen en uitsluitsel geven over de maximale massa die een neutronenster in werkelijkheid kan hebben.

Artistieke weergave van de Chandra-satelliet. Afbeelding: NASA / CXC / NGS.

Zware metalen
Vier dagen na de detectie van GW170817 toonde het spectrum aanwijzingen voor de productie van zware elementen. Men leidde op theoretische gronden af dat dit via het r-proces gebeurde: door het snel invangen van neutronen (r van rapid) kunnen atoomkernen sneller in massa toenemen dan ze door kernsplijting uiteenvallen. Het grote aantal neutronen dat hiervoor nodig is, komt van de neutronensterren die kort voor de botsing door onderlinge getijdenkrachten deels uit elkaar worden getrokken. Men verwachtte dat het proces ver genoeg was gevorderd om, naast lanthaniden met atoomnummers (aantal protonen in de atoomkern) van 57 tot 71, zeker ook het zwaardere platina (atoomnummer 78) en goud (79) te vormen. Volgens modellen zijn deze laatste elementen niet zichtbaar in het spectrum en ze zijn ook inderdaad niet rechtstreeks waargenomen. Het indirecte bewijs voor de vorming ervan heeft zich echter in de afgelopen tijd opgestapeld. De ruimtetelescoop Spitzer liet zien dat na veertig dagen de infraroodhelderheid snel afnam. Als de vorming van goud en platina was uitgebleven, zou het infrarood-golflengtegebied worden gedomineerd door de straling van isotopen met een langere halfwaardetijd. Hun verval en bijbehorende energieafgifte zouden dan langer aanhouden zodat de helderheid minder snel afnam. Direct bewijs voor de beloofde ‘gouden bergen’ is er echter niet: voor de synthese van de zwaarste elementen is materie nodig die nog rijker is aan neutronen dan voor lanthaniden en het blijft onduidelijk of deze ‘grondstof’ daadwerkelijk beschikbaar is gekomen. Toch bestaat er hoop het antwoord ooit te vinden: wanneer in de toekomst de snelheid van de uitgestoten materie voldoende is afgenomen, kunnen de gezochte spectraallijnen alsnog zichtbaar worden.

“GW170817 bood ook een uitstekende gelegenheid om op zoek te gaan naar haarscheurtjes in de relativiteitstheorie”

Einstein
GW170817 bood ook een uitstekende gelegenheid om op zoek te gaan naar haarscheurtjes in de relativiteitstheorie. Fysici zitten al jaren in hun maag met de onverenigbaarheid van Einsteins geesteskind, die ruimte en zwaartekracht beschrijft, met de quantummechanica, die over het gedrag van elementaire deeltjes gaat. Beide werelden ontmoeten elkaar precies op de waarnemingshorizon van een zwart gat, de grens waarbinnen licht niet meer kan ontsnappen. Om deze leemte tussen micro- en macrokosmos te overbruggen, bestaan er verschillende alternatieve zwaartekrachttheorieën met ieder hun eigen afwijkende voorspellingen ten opzichte van Einstein.

Meteen na de detectie van GW170817 bleek dat zwaartekrachtgolven zich voortplanten met de lichtsnelheid. Dat feit kostte al een paar alternatieve theorieën de kop. Eind 2018 kwam de LIGO/Virgo Collaboratie met een artikel (> 1000 coauteurs) dat korte metten maakte met theorieën die leunen op meer dan 4, niet opgerolde, ruimtelijke dimensies. Als deze bestaan, zou een deel van de energie besloten in zwaartekrachtgolven hierin moeten ‘weglekken’ met als resultaat een overschatting van de bronafstand ten opzichte van de bron van de elektromagnetische straling. Dit verschil is niet vastgesteld. De snaartheorie gaat ook uit van extra dimensies, maar omdat deze ‘opgerold’ worden verondersteld, blijft dit denkbeeld wel overeind.

Algemene relativiteit voorspelt verder dat zwaartekrachtgolven slechts twee trillings- of polarisatietoestanden kunnen vertonen. Metrische zwaartekrachttheorieën vereisen er maximaal zes. Met de kanttekening dat vanwege het voor dit doel niet bruikbare signaal van de Virgo-detector het resultaat nog niet sluitend is, kon de Collaboratie er slechts twee vinden. Heeft relativiteit dan nog steeds het laatste woord? Misschien toch niet. Ten eerste: in een commentaar op het genoemde artikel geven Svidzinsky en Hilborn aan dat de gegevens van de LIGO-detector in Livingston deels onbruikbaar zijn door een te hoog ruisniveau. Als die delen uit het signaal worden gefilterd, zijn de resultaten niet meer consistent met Einsteins theorie. Ten tweede zijn er de mogelijke ‘echo’s’ in de LIGO-detectie van GW170817 (ook gezien bij samensmeltingen van zwarte gaten). Dit zijn zwakke herhalingen van het zwaartekrachtgolfsignaal veroorzaakt door terugkaatsing tegen een reflecterend oppervlak, analoog aan het weergalmen van een stem tegen een berg. De eerste echo trad op na 1 seconde met een frequentie van 72 Hertz, de tweede na 33 seconden op 23 Herz. Een echo kan alleen optreden als er een reflecterend oppervlak bestaat. Impliciet betekent dit dat er op de horizon van een zwart gat materie aanwezig is, in welke vorm dan ook. De quantummechanica biedt een mogelijke verklaring omdat deze, in tegenstelling tot de relativiteitstheorie, de horizon van het zwarte gat voorstelt als een vuurzee van hoogenergetische deeltjes.

De waargenomen echo’s zijn zeer zwak en, omdat ze bijna ten onder gaan in de ruis, bestaat er twijfel over hun bestaan. Maar als ze met een volgende detectie en na de update van de LIGO/Virgo-detectoren beter uit de verf komen, kan dit een interessante ontwikkeling voor de fysica betekenen.

De massa van zwarte gaten bepaald met elektromagnetische (EM) observaties (röntgenstraling, paars), zwaartekrachtgolven (blauw), neutronensterren met EM (röntgenstraling, geel) en de massa’s van de neutronensterren betrokken bij GW170817 (oranje). Het bij GW170817 gevormde object is onbekend en daarom aangegeven met een (klein) vraagteken. Afbeelding: LIGO-Virgo / Frank Elavsky / Northwestern University.

Toekomst
Tot zover kon men vooral de snelle delen van de uitgestoten materie bestuderen. Dit signaal zal geleidelijk uitdoven en vervangen worden door de nagloed van de cocon. Het blauwe deel hiervan piekt waarschijnlijk over 8 jaar, het rode deel over een eeuw. Bestudering van deze tweede nagloed is interessant omdat het inzicht geeft in de snelheidsverdeling en de samenstelling van de uitgestoten materie.

In tegenstelling tot de relativistische jet, breidt de cocon zich in alle richtingen uit (maar niet overal even snel: de eerder genoemde donut expandeert langzamer dan het blauwe deel. De cocon als geheel breidt zich in alle richtingen uit).

Met het uitdoven van de jet, wordt het helderste deel van het radiosignaal, wat zich nu schijnbaar sneller dan het licht van de explosie verwijdert, weer de oorspronkelijke plek van de samensmelting. Over een jaar of twintig wordt GW170817 omringd door een bol zacht gloeiend gas met een diameter van ongeveer 10 milliboogseconden.

ZENIT. Hét magazine over sterrenkunde, ruimteonderzoek, weer en klimaat
Lees in ZENIT alles over sterrenkunde, ruimteonderzoek en aanverwante wetenschappen. Met iedere maand achtergrondartikelen en de laatste ontwikkelingen uit de wetenschap: Highlights uit de nieuwste ZENIT: veranderlijke sterren, jagen op Orion, Deepsky-juwelen en de sterrenhemel van juni. Zenit verschijnt 11 x per jaar.

ZENIT Jaarabonnement + gratis sterrenkundig jaarboek nu € 49,95
Neem nu een ZENIT jaarabonnement en ontvang gratis het jaarboek Sterren & Planeten, met daarin de interessantste hemelverschijnselen uit 2019. Klik hier voor meer informatie.