Ruimte

Astronomen zagen mogelijk voor het eerst ster in zwart gat veranderen

Astronomen zagen mogelijk voor het eerst ster in zwart gat veranderen “Dit is het object waarop we jaren hebben gewacht,” zegt een astrofysicus. maandag, 14 januari 2019

Door Michael Greshko

Toen tweehonderd miljoen jaar geleden dinosauriërs op aarde rondzwierven, begon een reuzenster aan zijn zwanenzang. De kosmische explosie waarin die doodstrijd eindigde, was zó ongebruikelijk dat ze astronomen achter de oren deed krabben toen het schijnsel van de gebeurtenis vorige maand juni eindelijk de aarde bereikte. 

Maar nu is er misschien een verklaring voor de mysterieuze flits. Op basis van de laatste observaties van de vreemde supernova, die de bijnaam ‘the Cow’ (‘de Koe’) heeft gekregen, stelt een team van 45 astronomen dat de observatie mogelijk de eerste keer is dat de mens het precieze moment heeft vastgelegd waarop een stervende ster in een zwart gat veranderde.

“Dit is het object waarop we jaren hebben gewacht,” zegt teamleider Raffaella Margutti, astrofysicus aan de Northwestern University. Margutti en haar collega’s presenteerden hun onderzoek vorige week op het jaarcongres van de American Astronomical Society in Seattle, Washington, en zullen hun bevindingen binnenkort publiceren in het vakbladAstrophysical Journal.

De gegevens van het team, die in meerdere golflengten werden verzameld, kunnen er ook op wijzen dat een enorme ster tot een neutronenster – een stellair overblijfsel met een kolossale dichtheid – is geïmplodeerd. Andere teams die de ‘Cow’ bestuderen, hebben alternatieve verklaringen voor haar ongebruikelijk gedrag voorgesteld. Wat weten we tot nu toe over de Cow en waarom is het voor astronomen zo lastig om het fenomeen te omschrijven? We zetten het allemaal op een rijtje.

Waar bevindt zich de ‘Cow’ en vanwaar die naam?

‘De Koe’ explodeerde aan de rand van CGCG 137-068, een spiraalvormig dwergsterrenstelsel dat zich op zo’n tweehonderd miljoen lichtjaar van de aarde bevindt. Het fenomeen dankt zijn bijnaam ‘Cow’ aan de formele, automatisch vastgestelde aanduiding ‘AT2018cow’. Een team van astronomen dat met de ATLAS-telescopen op Hawaï werkte, observeerde de supernova op 16 juni 2018 en markeerde het object op 17 juni ter bestudering door andere astronomen– wat tot een run op telescooptijd leidde om de explosie nader onder de loep te nemen.

Waarom is de Cow zo vreemd?

De Cow is niet de eerste flits van zijn aard die aan de nachthemel is gespot, maar het is tot nu toe wel de dichtstbijzijnde, waardoor onderzoekers de ongekende kans hebben dit fenomeen in detail te bestuderen. Ook was deze explosie uiterst fel en zeer snel. Op het hoogtepunt van de flits was hij in röntgenstraling tienmaal helderder dan normale stellaire explosies, oftewel supernovae. De Cow bereikte zijn felste straling in slechts enkele dagen, terwijl een gewone supernovae meestal een week nodig heeft om op gang te komen.

Bovendien was het niet meteen duidelijk waar al deze energie vandaan kwam. Normaliter wordt de explosieve reuzenkracht van een supernova veroorzaakt door nikkel-56, een radioactief isotoop in het binnenste van de ster. Maar toen astronomen uitrekenden hoeveel materiaal de Cow had uitgebraakt, kwamen ze op een verrassend lage hoeveelheid uit: hooguit een tiende van één zonsmassa. Dat is merkwaardig, want supernovae stoten gewoonlijk tientallen zonsmassa’s aan materiaal af.

Zelfs al was al het door de Cow afgestoten materiaal nikkel-56 geweest, dan was dat nog niet genoeg geweest om zo’n krachtige explosie te veroorzaken. Bovendien bevatte het uitgeworpen materiaal ook waterstof en helium, en dat hadden de astronomen niet verwacht: sterren die in een supernova exploderen, zouden hun waterstof en helium als nucleaire brandstof allang hebben moeten verbruikt.

Ook de straling die de Cow afgaf, was uitzonderlijk. Margutti’s team vroeg de NASA om haar röntgentelescoop NuSTAR op het object te richten. Uit de gegevens bleek dat de Cow ruim een week nadat ze voor het eerst aan het firmament was verschenen, verrassend genoeg veel helderder werd in hoogenergetische röntgenstraling. “Toen we de gegevens binnenkregen, was onze eerste reactie dat we misschien iets verkeerd hadden gedaan,” zegt Margutti.

Kennen we de oorzaak van de Cow?

De huidige consensus luidt dat zich in het hart van de Cow een compacte ‘centrale motor’ bevindt, die hoogenergetische röntgenstraling uitbraakt. Wat die motor ook moge zijn, het object wordt omhuld door een opvallend asymmetrische wolk van materie die bij een of andere explosie is uitgestoten.

“Een van de grappen die we maken is dat wij natuurkundigen dingen steeds als bolvormige koeien omschrijven– maar dit was dus écht een bolvormige koe,” zegt Brian Metzger, fysicus aan de Columbia University en een van de auteurs van de nieuwe studie. “Het is heel lastig om dit als een bolvormig fenomeen te verklaren, want als de optische straling wordt aangedreven door een röntgenbron, hoe komt die röntgenstraling dan tot ons?”

In het model dat door Margutti’s team is opgesteld, heeft het materiaal dat aan beide polen van het object wordt uitgestoten een hogere snelheid – en wordt sneller doorzichtig – dan de puinwolken rond de evenaar van het object. De equatoriale wolken absorberen de hoogenergetische röntgenstraling van de ‘centrale motor’, waardoor de wolken worden verhit en het zichtbare licht van de Cow uitstralen. Maar een klein gedeelte van deze hoogenergetische röntgenstraling ontsnapt aan de helderdere polen van de Cow.

Intussen blijkt uit de radiosignalen van de Cow dat ze zich gedraagt als een olifant in een mistige porseleinkast. Toen de Cow explodeerde, werd een deel van de restanten van het object met een snelheid van bijna dertigduizend kilometer per seconde uitgestoten, oftewel met een tiende van de lichtsnelheid. De snelste deeltjes lijken op de dichte mist van uitgestoten materiaal rondom de Cow te botsen en deze te verhitten, waardoor het object radiogolven uitzendt.

Waar bestaat de ‘centrale motor’ uit?

Margutti’s team denkt dat er twee plausibele opties zijn. De Cow zou een zeer sterk gemagnetiseerde neutronenster kunnen zijn die met een snelheid van circa duizend rotaties per seconde rondtolt. Een andere mogelijkheid is dat het object aan de nachthemel verscheen toen een kolossale en zeer hete ster (een ‘blauwe superreus’) slechts gedeeltelijk explodeerde en daarna tot een zwart gat implodeerde.

In dat scenario stort het grootste deel van het binnenste van de ster in en vormt een zwart gat terwijl de buitenlagen van de ster hierdoor aanvankelijk niet worden verstoord. Terwijl het zwarte gat in de ingewanden van de ster huishoudt, verliest hij iets van zijn massa in de vorm van een zwerm spookachtige deeltjes genaamd neutrino’s. Door de uitstoot van de neutrino’s vanuit het centrum van de ster wordt ook materiaal van de buitenlagen weggeblazen, nog voordat het zwarte gat dit materiaal kan opslokken. De restanten van de ster beginnen daarna al snel in een accretieschijf rond het pasgeboren zwarte gat te draaien.

Zijn er nog andere hypothesen over de Cow?

Margutti en haar collega’s zijn niet de enigen die denken dat de Cow een ‘centrale motor’ heeft. In een ander onderzoek dat voor publicatie in het Astrophysical Journalis geaccepteerd, komt een team onder leiding van Caltech-astronome Anna Y.Q. Ho tot dezelfde conclusies.

Maar Daniel Perley, astrofysicus aan de Liverpool John Moores University, stelt in zijn eigen onderzoek dat de Cow mogelijk is ontstaan toen een reeds bestaand zwart gat van flinke omvang een ster ter grootte van onze zon opslokte – een gebeurtenis die een ‘stellaire getijdenverstoring’ wordt genoemd. Terwijl de ster door de immense zwaartekracht van het zwarte gat aan stukken werd gescheurd, zouden de gassen van de ster in een accretieschijf rond het zwarte gat zijn gaan ronddraaien, wat de ongebruikelijke straling van de Cow kan verklaren.

De vraag is of het wel normaal is dat een zwart gat van deze omvang aan de rand van een sterrenstelsel rondhangt, namelijk in een gebied waar zich volgens radiosignalen van de Cow veel dichte gaswolken bevinden. Volgens de huidige theorieën vormen zwarte gaten van deze massa zich alleen in sterrenhopen, waarin zich maar weinig overtollig gas bevindt.

Margutti stelt dat de omgeving van de Cow veel beter is te verklaren als de mist die rondom het object hangt zou bestaan uit materiaal dat door een kolossale ster is afgestoten, een ster die dan later tot een neutronenster of zwart gat zou zijn geïmplodeerd. Maar Perley wijst erop dat in zo’n omgeving tot nu toe geen enkel zwart gat van deze massa is aangetroffen of bestudeerd, waardoor het de vraag is of de hypothese wel op de werkelijkheid aansluit.

“[Margutti’s] team bestaat uit enkele van de allerbeste supernova-experts, maar ik zou graag zien dat ook getijdenexperts hun mening geven, om te zien of zij een manier kunnen vinden om het kloppend te maken,” zegt Perley.

Hoe nu verder?

Observaties van de Cow gedurende een langere periode zouden meer inzicht kunnen opleveren in de ware aard van haar centrale motor. Als het inderdaad om een gemagnetiseerde neutronenster gaat, zou die volgens Metzger over enkele jaren nog röntgenflitsen moeten uitbraken. Maar een zwart gat zou niet op die manier opflakkeren.

De wetenschap zal vooral meer over de Cow te weten komen als er soortgelijke objecten worden ontdekt. Astronomen zijn nog maar sinds kort in de gelegenheid om zulke lichtflitsen te detecteren en ze vervolgens live te volgen, dankzij een groeiend aantal robottelescopen en grootschalige astronomische metingen.

“De metingen van grote stukken van de nachthemel zijn bijna te vergelijken met het maken van een film (...). Het zijn spannende tijden voor ons,” zegt Metzger. “We zien het universum niet langer als een statisch geheel, maar als iets dat zeer actief kan zijn, zelfs op een tijdschaal van een paar dagen.”

Lees ook: Wonen wij in een zwart gat?

Lees ook: Astronomen kunnen de eerste foto van een zwart gat hebben

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