De nasleep van een heftige botsing van twee neutronensterren

Astronomen hebben met een wereldwijd netwerk van radiotelescopen bekeken wat er gebeurde toen twee neutronensterren in 2017 op elkaar botsten: er kwam een compacte straal materie vrij. Het was bovendien de eerste keer dat er een zwaartekrachtgolf werd waargenomen bij het samensmelten van twee neutronensterren; de vier keer eerder dat dit sinds 2015 gebeurde, was namelijk steeds bij een botsing van zwarte gaten. Deze bevindingen zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Science door een internationaal team van wetenschappers onder leiding van Giancarlo Ghirlanda van het Nationaal Instituut voor Astrofysica (INAF, Italië). Professor Leonid Gurvits (JIVE en TU Delft) is co-auteur van de Science paper. 

Toen in augustus 2017 twee neutronensterren op elkaar botsten, namen het Amerikaanse LIGO- en het Europese Virgo-systeem allebei zwaartekrachtgolven waar. De botsing vond plaats in een melkwegstelsel 130 miljoen lichtjaren van de aarde vandaan en het was voor het eerst dat zo’n gebeurtenis werd waargenomen. Neutronensterren zijn ultracompacte sterren, met ongeveer dezelfde massa als de zon, maar qua grootte vergelijkbaar met een stad als Amsterdam. Astronomen bekeken ook de daaropvolgende stralingsuitbarsting die het hele elektromagnetische spectrum bestreek, van gammastralen tot röntgenstralen tot zichtbaar licht en radiogolven. Tweehonderd dagen na de botsing konden radiotelescopen in Europa, Afrika, Azië, Oceanië en Noord-Amerika waarnemen hoe een compacte straal materie vrijkwam. 

Het samensmelten van de twee neutronensterren was de eerste gelegenheid waarbij zwaartekrachtgolven werden waargenomen in relatie tot een hemellichaam dat licht uitstraalt. Deze gebeurtenis bevestigt wetenschappelijke theorieën waarover al tientallen jaren wordt gediscussieerd en maakt het mogelijk om de fusie van neutronensterren in verband te brengen met een van de krachtigste explosies in het heelal: de uitbarsting van gammastralen. Na de fusie werd een enorme hoeveelheid materie de ruimte in geslingerd, en vormde een soort omhulsel rondom de samensmeltende sterren. De astronomen hebben op verschillende golflengten kunnen volgen wat er vervolgens gebeurde. 

Er stonden namelijk nog wat vragen open die niet konden worden beantwoord door eerdere waarnemingen. "We verwachtten bijvoorbeeld dat een deel van de materie in een geconcentreerde straal zou worden uitgestoten, maar het was onduidelijk of die straal dan het omhulsel zou kunnen doorboren", legt Ghirlanda uit. "Er waren twee concurrerende scenario's: In het ene geval kan de straal niet door het omhulsel heen breken, maar ontstaat er een uitdijende ‘cocon’ rond het object. In het andere scenario lukt het de straal wel en verspreidt die zich dan verder de ruimte in", gaat Tiziana Venturi (INAF) verder. Alleen met zeer gevoelige radio-beelden met een zeer hoge resolutie zou het ene of het andere scenario kunnen worden verworpen. Dit vereiste het gebruik van een techniek die bekend staat als Very Long Baseline Interferometry (VLBI), die astronomen in staat stelt om radiotelescopen rondom de aarde te combineren.

De auteurs van de publicatie richten op 12 maart 2018 maar liefst 33 radiotelescopen van over de hele wereld op de samensmeltende sterren: het Europese VLBI-netwerk dat telescopen uit Spanje, het Verenigd Koninkrijk, Nederland, Duitsland, Italië, Zweden, Polen, Letland, Zuid-Afrika, Rusland en China met elkaar verbindt, plus e-MERLIN in het Verenigd Koninkrijk, de Australian Long Baseline Array in Australië en Nieuw-Zeeland, en de Very Long Baseline Array in de VS. De gegevens van alle telescopen werden naar JIVE in Dwingelo gestuurd, omdat ze daar beschikken over de meest geavanceerde verwerkingstechnieken. Daarmee kon een beeld worden geproduceerd met een resolutie die vergelijkbaar is met het vanaf de aarde kunnen zien van een persoon die op het oppervlak van de Maan staat. 

Om in die analogie te blijven: de uitdijende cocon zou dan zichtbaar worden met een formaat overeenkomt met dat van een vrachtwagen op de Maan, terwijl een succesvolle straal zou worden waargenomen als een veel compacter object. "Als we de theoretische beelden vergelijken met de echte, concluderen we dat we waarnamen dusdanig compact was, dat het alleen een straal kon zijn", legt Om Sharan Salafia (INAF) uit. Het team stelde vast dat deze straal evenveel energie bevatte als alle sterren in onze Melkweg gedurende een jaar. "En al die energie zat in iets dat kleiner was een lichtjaar", zegt Zsolt Paragi (JIVE).

In de komende jaren zullen er nog veel meer van deze fusies van neutronsterren worden waargenomen. "De verkregen resultaten suggereren ook dat meer dan 10% van al deze fusies een succesvolle straal zouden moeten vertonen", legt Benito Marcote (JIVE) uit. "Dit soort waarnemingen zullen ons in staat stellen om de processen te bestuderen die plaatsvinden tijdens en na een van de krachtigste gebeurtenissen in het heelal", besluit Sándor Frey (Konkoly Observatorium, Hongarije).

PRIDE
Professor Leonid Gurvits (JIVE en TU Delft) is co-auteur van de Science paper. "In 2015 werden voor het eerst vervormingen in de ruimte-tijd, bekend als zwaartekrachtgolven, gedetecteerd toen twee superzware zwarte gaten met elkaar in botsing kwamen. Maar alleen de botsing van relatief kleine objecten zoals neutronensterren, die ook zwaartekrachtgolven produceren, produceren daarnaast een vuurwerk van elektromagnetische straling. Dit is wat we ontdekten tijdens de zwaartekrachtgolf van augustus 2017", legt hij uit. "Elektromagnetische straling kan je informatie geven over de botsende objecten zelf, de fysica van zo’n botsing, wat hij produceert en nog veel meer. Met behulp van VLBI konden we de nasleep van de botsing met extreem hoge resolutie waarnemen. Zo konden we de bron van de elektromagnetische straling en de parameters ervan detecteren. Dat is een unieke prestatie, want we hebben het over minuscule hoeveelheden uitgestoten energie", zegt hij.

VLBI is een krachtige techniek om natuurlijke objecten als sterren in het heelal te bestuderen, maar JIVE en de TU Delft werken momenteel ook aan een verwante techniek voor planetaire missies. Dit is PRIDE, kort voor Planetaire Radio Interferometrie en Doppler Experiment. "We kunnen dezelfde VLBI-methodologie en telescopen gebruiken om kunstmatige radiobronnen zoals ruimtevaartuigen te observeren, en dit kan van groot nut zijn voor planetaire missies", aldus Gurvits, Principle Investigator van PRIDE. "Met PRIDE kunnen we de positie en snelheid van ruimtevaartuigen overal in het zonnestelsel met grote nauwkeurigheid bepalen, tot op tientallen meters nauwkeurig. Dat op zijn beurt kan ons informatie verschaffen over het zwaartekrachtveld van de planeet, de atmosfeer, de morfologie van het oppervlak en ga zo maar door". PRIDE is geselecteerd als een van de elf experimenten aan boord van de ESA's JUpiter ICy moons Explorer missie (JUICE) die in 2022 van start gaat, en het enige experiment van deze missie dat vanuit Nederland wordt geleid. 

Contact
Prof. Leonid Gurvits, JIVE en TU Delft, e-mail: lgurvits@jive.eu, tel: 0521 596514