Ruimte

Zwaartekrachtgolven voor het eerst direct waargenomen

De spectaculaire ontdekking kan bijdragen aan een oplossing voor het verhitte debat onder astronomen over de kosmische oorsprong van goud en zilver. donderdag, 9 november 2017

Door Nadia Drake

Ongeveer 130 miljoen jaar geleden botsten twee dode sterren in een gigantische explosie op elkaar en zetten een reeks gebeurtenissen in gang die astronomen de afgelopen twee maanden in alle staten hebben gebracht.

Tijdens persconferenties op verschillende locaties in de wereld kondigden wetenschappers deze week aan dat ze voor het eerst directe waarnemingen hadden gedaan van zwaartekrachtgolven die zijn veroorzaakt door de botsing tussen twee neutronensterren.

Het bestaan van zwaartekrachtgolven – rimpels die het weefsel van de ruimtetijd vervormen als gevolg van extreem gewelddadige kosmische gebeurtenissen – werden al in 1916 door Albert Einstein voorgesteld. Tot nu toe konden alle bevestigde waarnemingen van deze golven in verband worden gebracht met dodelijke tango’s die twee zwarte gaten om elkaar heen uitvoeren en die geen zichtbare signalen aan de nachthemel achterlaten.

Maar bij deze nieuwe waarneming hebben verschillende teams circa honderd instrumenten van zo’n zeventig observatoria gebruikt om de megagebeurtenis in meerdere golflengten op te sporen en te volgen, waardoor ze voor het eerst in staat waren de oorsprong van de kosmische rimpels te achterhalen.

“We zagen een totaal nieuw fenomeen dat nog nooit eerder door mensenogen is aanschouwd,” zegt Andy Howell van de University of California in Santa Barbara. “Het is een verbijsterende gebeurtenis die zich waarschijnlijk nooit meer in ons leven zal voordoen.”

Anders dan twee met elkaar versmeltende zwarte gaten stoten twee botsende neutronensterren metaalachtig, radioactief restmateriaal uit, dat door telescopen kan worden waargenomen – als je tenminste weet in welke richting je moet kijken.

“Eerst voelden we hoe het universum trilde als gevolg van de versmelting van twee neutronensterren, en dat was voor ons een aanwijzing voor de richting waarin we vervolgens moesten zoeken en de plek waarop we onze telescopen moesten richten,” vertelt Howell, die behoorde tot een van meerdere teams die op zoek gingen naar de sterren die in verband konden worden gebracht met het signaal van de zwaartekrachtgolven.

Uiteindelijk zouden zo’n 3500 wetenschappers en technici betrokken zijn bij de waarneming van de zwaartekrachtgolven en het daaropvolgende astrofysische detectivewerk; de resultaten van dit megaproject worden deze week in veertig wetenschappelijke tijdschriften gepubliceerd, waaronder Science, Nature, en de Physical Review Letters.

Bij elkaar genomen kunnen de observaties de astronomen helpen om enkele oude theorieën in de natuurkunde te bevestigen en het debat over de kosmische oorsprong van goud, zilver en andere zware elementen op te lossen – ontdekkingen die mogelijk zijn geworden door de opkomende discipline van de zwaartekrachtgolfastronomie.

Kosmisch avontuur

Het eerste, zij het indirecte, bewijs voor het bestaan van zwaartekrachtgolven werd al in 1974 gevonden. Maar pogingen om de golven direct te kunnen waarnemen bleken tientallen jaren lang een bijna onmogelijke opgave. De verstoring van de ruimtetijd die hier op aarde kan worden gemeten, is vrijwel onmeetbaar klein: ter grootte van een fractie van de doorsnede van een atoomkern.

Om deze belachelijk kleine verschuivingen in de kosmos te kunnen meten, creëerden wetenschappers het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory of LIGO. De twee detectoren van het observatorium gebruiken laserstralen om minuscule veranderingen in de afstand tussen meerdere spiegels te meten die ontstaan wanneer zwaartekrachtgolven langs en door de aarde spoelen; een derde observatorium, van het Europese Virgo-team, verricht nu hetzelfde soort metingen.

Begin 2016 kondigden de wetenschappers van LIGO een doorbraak aan: hun ultragevoelige instrumenten hadden hun prooi eindelijk in het net gevangen. Sindsdien heeft LIGO nog drie andere gebeurtenissen bevestigd, waarbij het telkens om twee met elkaar versmeltende zwarte gaten ging. De leiders van de diverse teams ontvingen dit jaar de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Maar op de ochtend van 17 augustus registreerden de LIGO-instrumenten iets nieuws. De signalen van de zwaartekrachtgolven die de afstand tussen de spiegels deden variëren, bevatten kenmerken die erop wezen dat hun oorsprong ditmaal niet was gelegen in de versmelting van twee zwarte gaten, maar in de botsing tussen twee dode sterren.

Twee seconden nadat de signalen de instrumenten van LIGO deden trillen, registreerde de Fermi Gamma-ray Space Telescope van de NASA een uitbarsting van gammastraling in dezelfde regio aan de nachthemel waar ook het LIGO-signaal was gelokaliseerd. De uitbarsting duurde slechts twee seconden en deed denken aan een korte ‘gammaflits’ (gamma-ray burst, GRB) – het type kosmische explosie dat vermoedelijk wordt veroorzaakt door het op elkaar botsen van twee neutronensterren.

Toeval? Het LIGO-Virgo-team dacht van niet. Net als in een Batman-film stuurde het team het equivalent van een ‘vleermuis-signaal’ de ether in, waarmee ze de astronomische gemeenschap liet weten dat het restmateriaal dat uit deze wederzijdse vernietiging van sterren voortkwam, gedetecteerd kon worden – als je snel genoeg was. En daarmee zouden ze ook voor het eerst de nasleep van het ontstaan van zwaartekrachtgolven kunnen waarnemen.

Het vleermuis-signaal leidde tot observaties door teams in de hele wereld, die allemaal hun steentje wilden bijdragen aan de oplossing van deze kosmische puzzel. Maar eerst moesten de teams uitzoeken op welke plek aan de nachthemel ze precies hun dure apparaten moesten richten.

Sterrendans

We stellen u voor aan Charlie Kilpatrick, postdoctoraalstudent aan de University of California in Santa Cruz. Nadat de alarmen voor zwaartekrachtgolven en de GRB waren binnengekomen, gingen Kilpatrick en zijn collega’s meteen aan de slag om de lange lijst van sterrenstelsels in de omgeving van de bron van het nieuwe signaal door te spitten.

Ze hadden in Chili de beschikking over een kleine en zéér bescheiden telescoop, en zodra de avond in Chili was gevallen, wilden ze al die sterrenstelsels gaan controleren op tekenen van explosies. Maar ze moesten snel zijn: het te controleren stukje van de nachthemel zou al over een uur of twee onder de horizon wegzakken.

Ongeveer tien uur na het versturen van het alarm van het LIGO-Virgo-team zag Kilpatrick in het vijfde sterrenstelsel dat hij controleerde een heldere punt die daar voorheen nog niet te zien was geweest – een zeer veelbelovende aanwijzing dat er iets dramatisch was voorgevallen. Kilpatrick en zijn collega’s stuurden andere observatoria een alarmbericht over deze vondst en binnen 42 minuten hadden vijf andere groepen, waaronder die van Andy Howell, het sterrenstelsel eveneens in het vizier.

“Het dringt maar langzaam tot me door hoe belangrijk dit eigenlijk is,” zegt Kilpatrick.

In de volgende dagen haakte een hele reeks andere observatoria in. Wekenlang was de nu ontdekte bron van zwaartekrachtgolven, aan de rand van een ovaalvormig sterrenstelsel genaamd NGC 4993, het meest bestudeerde plekje aan de nachthemel.

In die regio cirkelden twee dode neutronensterren al sinds mensenheugenis om elkaar heen. Ze voerden een vernietigend snelle tango uit die gedoemd was in een tweede, nóg vernietigender explosie te eindigen. Na miljoenen jaren van voorspel was hun dodelijke omarming zó verwoestend geworden dat het weefsel van de ruimtetijd zelf begon te verbuigen en vervormen, waarbij de zwaartekrachtgolven werden afgegeven die ons hier op aarde uiteindelijk op de hoogte brachten van hun ondergang.

Big bang theory

Dankzij het snelle detectivewerk waren wetenschappers in staat de explosie in het hele elektromagnetische spectrum te bestuderen, van radiogolven tot gammastraling. 

De fusie van deze dode sterren heeft ook nieuw licht geworpen op een al lang lopend debat over de oorsprong van de zware metalen van het periodiek systeem: edelmetalen als goud en platina, en elementen als het neodymium waarmee wetenschappers lasers vervaardigen, ook de lasers die in de LIGO-instrumenten worden gebruikt.

Lange tijd dacht men dat deze metalen voornamelijk in de ingewanden van enorme exploderende sterren werden gesmeed die in supernova’s aan hun einde kwamen. Maar in recent onderzoek is erop gewezen dat dat soort supernova’s niet genoeg materiaal de ruimte in slingeren om al de zware elementen in de kosmos te kunnen verklaren.

Voor de vorming van dit soort elementen is een overschot aan neutronen nodig, een van de deeltjes waaruit atoomkernen zijn opgebouwd; het mag duidelijk zijn dat wanneer neutronensterren uit elkaar worden gescheurd, er enorme hoeveelheden van deze neutronen vrijkomen.

Door de explosie in infrarood licht te bestuderen konden de teams vaststellen dat het restmateriaal tenminste tienduizend aardmassa’s aan edelmetalen bevatte – meer dan genoeg om de kosmos te verrijken met de in het heelal waargenomen percentages aan zware metalen. 

“Deze gebeurtenissen kunnen zelfs genoeg zijn om al het goud en alle zware elementen in het huidige universum te verklaren,” zegt Enrico Ramirez-Ruiz van de University of California in Santa Cruz. De observaties zijn volgens hem “gewoonweg adembenemend – het niveau en de hoeveelheid van de ontvangen data... het is geweldig.”

Toch zijn andere aspecten van het verhaal dat door deze explosie wordt verteld, nog altijd in nevelen gehuld. Om te beginnen is het niet precies duidelijk wat er na de versmelting van de twee neutronensterren precies is overgebleven. We weten alleen dat het restant van de botsing een massa heeft van circa 2,6 maal de massa van onze zon.

Uitgaande van dat getal en het feit dat het om twee neutronensterren ging, is het vrijwel zeker dat zich op die plek nu een zwart gat bevindt, aldus Feryal Ozel van de University of Arizona. Tot de minder plausibele mogelijkheden behoort een ongebruikelijk zware neutronenster, maar zo’n object zou indruisen tegen alles wat wetenschappers over dit type sterren weten.

Vreemde verschijnselen

Los van de aard van het beestje roept het restant van de botsing een hele reeks vragen op over deze monsters met de grootste dichtheid in het universum.

“Nog nooit heeft iemand hetzij een neutronenster hetzij een zwart gat waargenomen met een nauwkeurig gemeten massa van tussen de twee en vijf zonsmassa’s,” zegt Alan Weinstein van Caltech, een van de leden van het LIGO-team. 

Ook verliepen de explosie en de nasleep ervan niet helemaal zoals was verwacht. De gammaflits was aan de zwakke kant en stootte een veel minder krachtige straling uit dan bij eerdere, soortgelijke gebeurtenissen het geval is geweest, zegt Mansi Kasliwal van Caltech. Bovendien duurde het langer voordat de detectoren de daarop volgende röntgen- en radiostraling opvingen.

Dat zou kunnen betekenen dat de straalstromen (jets) van ultrasnelle deeltjes die bij de explosie werden uitgestoten, niet direct op onze planeet waren gericht maar ten opzichte van de aarde een beetje uit het lood stonden, zegt Daryl Haggard van de McGill University, wiens team gebruikmaakte van het Chandra X-ray Observatory om de versmelting te bestuderen.

Maar het zou ook kunnen betekenen dat er iets complexers aan hand was. Volgens Kasliwal zou een cocon van energetisch restmateriaal dat bij de explosie werd uitgeworpen de eventuele straalstromen in de kiem hebben kunnen smoren. Wetenschappers hopen dat ze deze kwestie kunnen oplossen aan de hand van verdere observaties in radiogolven, die heel wat langer waarneembaar zullen blijven.

“Ook al verscheen de radiostraling wat laat op het feest, ze zal ook als laatste weer vertrekken – en ze heeft cadeautjes meegebracht!” aldus Gregg Hallinan van Caltech.

Maar die nadere observaties zullen even moeten wachten: de locatie van het sterrenstelsel aan de nachthemel bevindt zich momenteel zó dicht bij de zon dat het voor sommige telescopen schadelijk is om ernaar te turen. Zodra het object een beetje verder van het felle schijnsel van de zon af komt te staan, zullen de telescopen zich opnieuw op de laatste overblijfselen van deze megaexplosie richten.

Intussen hebben de astronomen alle reden om iets te vieren, namelijk het feit dat ze de gebeurtenis in zoveel detail hebben kunnen waarnemen.

“Dit gevaarte is 130 miljoen jaar geleden geëxplodeerd,” zegt Maria Drout van de Carnegie Observatories. “Maar als het een maand later was gebeurd, zouden we het nooit hebben kunnen zien. De detectoren zouden zijn uitgeschakeld en het object zou achter de zon hebben gestaan.”

Lees meer