Mysterieuze radioflits uit de ruimte is ongebruikelijk dichtbij

Felle, zeer korte flitsen van radiogolven afkomstig uit de omgeving van een sterrenstelsel dat niet ver van het onze staat, roepen nog meer vragen op over een van de grootste raadsels van de astronomie. De herhalende energie-uitbarstingen lijken te komen uit een zogenaamde bolvormige sterrenhoop, ook wel ‘bolhoop’ genoemd, een oude groep sterren. Dat is de laatste plek waar astronomen ze zouden verwachten.

De extreem felle en korte flitsen van radiogolven, door wetenschappers FRB's genoemd (fast radio bursts) stellen wetenschappers voor een raadsel sinds ze in 2007 voor het eerst werden gezien. Op basis van de waarnemingen tot nu toe gingen onderzoekers ervan uit dat de flitsen afkomstig waren van jonge, kortstondige objecten die 'magnetars’ worden genoemd.

Maar volgens een artikel op arXiv, een online dienst voor vóórpublicaties van wetenschappelijke artikelen, bleek een FRB die afgelopen jaar werd waargenomen afkomstig uit een bolhoop in de buurt van het spiraalvormige sterrenstelsel M81, zo'n 11,7 miljoen lichtjaar afstand van ons vandaan. De ontdekking van deze flits in een cluster van oude sterren is zoiets als het ontdekken van een smartphone tussen de stenen van Stonehenge - het is onlogisch.

“Dat is beslist geen plek waar je radioflitsen verwacht,” schreef astronoom Bryan Gaensler van de University of Toronto, een van de coauteurs van het artikel, op Twitter. “Wat is hier aan de hand?”

Wetenschappers doen hun best om een verklaring te bedenken voor dit kosmische anachronisme. Ze raken er ook steeds meer van overtuigd dat er mogelijk, net als met allerlei andere kosmische verschijnselen, verschillende manieren zijn waarop snelle radioflitsen kunnen ontstaan.

“FRB's zijn misschien - misschien – een generiek fenomeen dat verschillende bronnen kan hebben,” oppert astronoom Shami Chatterjee van de Cornell University. Hij doet onderzoek naar de flitsen, maar maakte geen deel uit van het team dat het artikel schreef.

“Wat is hier aan de hand?"

Wetenschappers namen de flits (genaamd FRB 20200120E) in januari 2020 waar met behulp van de telescoop van het Canada Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME). Die heeft zich inmiddels bewezen als een onvermoeibare FRB-speurneus. Toen CHIME in 2017 begon, waren er nog geen dertig snelle radioflitsen bekend bij wetenschappers. Inmiddels is dat aantal dankzij de telescoop gestegen tot een dikke duizend.

Net als ruim twintig andere bekende flitsen is FRB 20200120E een zogenaamde repeater - een ruimtefenomeen dat meerdere waarneembare radioflitsen produceert, in plaats van eenmaal uit te barsten en vervolgens te verdwijnen. De flitsen zijn niet zo fel als andere die van miljarden lichtjaren ver komen, van een plek diep in het heelal. Toch waren wetenschappers aan de hand van de flitsen in staat om de plek te vinden waar aan de hemel de FRB's plaatsvonden.

Met behulp van die kennis kon het team op zoek gaan naar een mogelijke bron. Uit metingen van de flitsen bleek dat FRB 20200120E zich redelijk dicht bij ons in de buurt bevond, dus de astronomen wisten dat ze naar iets in onze omgeving moesten zoeken, mogelijk zelfs binnen in de gasachtige, ijle ruimte in onze Melkweg. De onderzoekers gebruikten vervolgens een netwerk van radiotelescopen, het European Very Long Baseline Interferometry Network om de precieze locatie van de flitsen te achterhalen.

“We hebben aangetoond dat FRB 20200120E bij een bolhoop in het sterrenstelsel M81 hoort, wat betekent dat deze FRB zich 40 keer zo dichtbij bevindt als enige andere FRB van buiten ons sterrenstelsel,” schrijven de auteurs in het nieuwe artikel.

“En het wordt heel, heel interessant om te bedenken hoe we dat moeten interpreteren,” aldus Chatterjee. “Dit is heel moeilijk in te passen in de huidige modellen.”

Bolhopen behoren tot de oudste objecten in het waarneembare heelal. Ze zijn miljarden jaren oud, minstens zo oud als de sterrenstelsels waar ze omheen draaien, en misschien nog wel veel ouder. Tot nu toe hadden wetenschappers het sterke vermoeden dat snelle radioflitsen werden veroorzaakt door enkele van de jongste compacte objecten die tot nog toe werden waargenomen: magnetars. Dit zijn extreem magnetische ‘sterrenlijken’ die ontstaan wanneer jonge, grote sterren exploderen en sterven. Wanneer zich eenmaal een magnetar heeft gevormd, duurt het tienduizenden jaren voordat het magnetische veld van dit ultramagnetische sterrenlijk in verval raakt, waarna een veel vaker voorkomende neutronenster overblijft.

Maar voor zover astronomen weten, zijn er in de fonkelende, dicht opeengepakte bolhopen niet het soort onstuimige sterren te vinden dat ineenstort tot een magnetar.

Extreem magnetische, ultracompacte sterren

Het heeft bijna vijftien jaar geduurd voordat een begin werd gemaakt met het ontrafelen van het mysterie van de snelle radioflitsen. In eerste instantie werd er gedacht aan verdampende zwarte gaten, opvlammende dode sterren, botsende zware objecten en ja, zelfs buitenaardse technologieën (spoiler: het waren geen aliens). Nadere aanwijzingen, onder meer de nano-structuur van de radioflitsen en hun duur van slechts milliseconden en hun intensiteit, duidden op het feit dat ze afkomstig zijn van extreem compacte objecten.

Dus focusten de wetenschappers zich op objecten als zwarte gaten en neutronensterren. Deze laatste blijven over wanneer zware sterren ontploffen tijdens een supernova. Later bleek uit waarnemingen dat sommige flitsen ontstaan in gebieden waar een extreem sterk magnetisch veld is, wat een verdere aanwijzing is dat deze mysterieuze signalen van magnetars afkomstig zouden kunnen zijn.

En toen produceerde een magnetar in onze eigen Melkweg vorig jaar een radioflits die leek op een FRB. De flits was iets zwakker dan de extreem krachtige flitsen die van veel verder weg uit het heelal kwamen, maar wetenschappers waren ervan overtuigd dat ze op het goede spoor zaten.

“De gedachte dat FRB’s van magnetars afkomstig zijn heeft inmiddels flink postgevat, sinds we een FRB-achtige flits zagen die afkomstig was van een magnetar uit ons eigen sterrenstelsel,” zegt Brian Metzger die werkzaam is aan de Columbia University en het Flatiron Institute. “Zowel de theoretici als de waarnemers waren behoorlijk in hun nopjes met die verklaring.”

Maar dat duurde niet lang. Door de ontdekking van FRB 20200120E moeten astronomen nu bedenken hoe magnetars kunnen ontstaan en overleven in bolhopen, of anders hoe een groep van extreem oude, rustige sterren zulke krachtige flitsen kan produceren. Allebei niet eenvoudig.

Plausibele verklaringen

Hoewel astronomen er niet vanuit gaan dat er magnetars voorkomen in bolhopen, bevatten ze vermoedelijk wel talloze andere stoffelijke overschotten van sterren. Vroeg in het bestaan van deze oude clusters kunnen zich witte dwergen vormen (die ontstaan wanneer sterren die lijken op de zon uitdijen tot rode reuzen en vervolgens sterven) of neutronensterren (die ontstaan bij grote supernova's).

Mogelijk worden magnetars gevormd wanneer twee neutronensterren botsen en versmelten, wanneer twee witte dwergen botsen en versmelten of wanneer een witte dwerg waar een andere ster omheen draait zoveel massa ‘steelt’ dat deze ineenstort tot een nieuwe neutronenster. Maar tot dusverre is nog nooit waargenomen dat een magnetar op deze manier werd gevormd.

Ye van de Northwestern University denkt dat we moeten kijken naar andere manieren waarop magnetars mogelijk kunnen ontstaan in deze sterrenhopen, en onderzoeken hoe andere sterren mogelijk snelle radioflitsen zouden kunnen produceren. Daarnaast is het volgens haar heel belangrijk om meer te weten te komen over deze specifieke bolhoop, om te ontdekken waar deze spannende flitsen vandaan zouden kunnen komen.

“Bolhopen zijn onderling verschillend,” vertelt ze. “Sommige zijn compacter, andere juist minder compact en in verschillende sterrenhopen zie je verschillende uitkomsten.”

Ook Metzger merkt op dat het mogelijk moet zijn om iets dat lijkt op een snelle radioflits te veroorzaken zonder dat er een magnetar in de buurt is. Twee neutronensterren die rond elkaar draaien zouden flitsen kunnen produceren die lijken op snelle radioflitsen, en hetzelfde geldt voor de turbulente materieschijven die rond zwarte gaten draaien en die zo nu en dan opvlammen. “Ik ben geneigd te denken dat er hier van iets anders sprake is dan van magnetars,” stelt hij.

Chatterjee is het met hem eens dat “mogelijk een klein deel van de FRB's niet afkomstig zijn van magnetars maar van een of ander stralingsverschijnsel bij een zwart gat.”

Mogelijk zijn er verschillende manieren waarop snelle radioflitsen kunnen ontstaan, en lijken ze daarin op gammaflitsen. Astronomen braken zich daarover ook tientallen jaren lang het hoofd nadat ze in de jaren zestig voor het eerst waren ontdekt door een militaire satelliet. Inmiddels is bekend dat zowel krachtige supernova's als botsende neutronensterren dergelijke hoogenergetische uitbarstingen van gammastraling kunnen veroorzaken.

“De natuur kent twee manieren om die te maken,” stelt Metzger. “Ik denk dat er met FRB's iets soortgelijks aan de hand is.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com