Meest recent

    Voor het eerst licht gezien van een bron van zwaarte­kracht­golven

    De batterij telescopen van de ESO in Chili heeft voor het eerst de visuele tegenhanger waargenomen van een bron van zwaartekrachtgolven. Uit de waarnemingen blijkt dat het object dat waargenomen is, het resultaat is van de fusie van twee neutronensterren, enorm zware overblijfselen van een supernova. De catastrofale naweeën van een dergelijke fusie - gebeurtenissen die al lang voorspeld werden en die kilonova's genoemd worden - verspreiden zware elementen als goud en platina in het universum. De ontdekking levert ook het sterkste bewijs tot nog toe voor de theorie dat korte gammaflitsen veroorzaakt worden door de fusie van neutronensterren.

    Het is de allereerste keer dat astronomen zwaartekrachtgolven en licht - elektromagnetische straling - van dezelfde gebeurtenis hebben waargenomen, dankzij een wereldwijde samenwerking en de snelle reactie van de faciliteiten van het European Southern Observatory en andere instellingen. Talloze telescopen hebben het nieuwe object vervolgens waargenomen, en de snelle evolutie ervan kunnen volgen. De eerste waarnemingen sluiten erg goed aan bij wat er tot nu toe louter theoretisch verwacht werd.

    Op 17 augustus van dit jaar ontdekte het Amerikaanse LIGO-observatorium samen met de Europese Virgo-interferometer zwaartekrachtgolven die voorbij de aarde trokken. Die gebeurtenis, de vijfde van die aard ooit waargenomen, werd GW 170817 (Gravitational Wave en de datum) genoemd. Zo'n twee seconden later detecteerden twee ruimte-observatoria, de Fermi Gamma-ray Space Telescope van de NASA en het INTEGRAL-laboratorium van de ESA, een korte gammaflits in hetzelfde deel van de sterrenhemel.

    Gammaflitsen zijn zeer krachtige uitbarstingen van hoogenergetische gammastraling, die van enkele milliseconden tot enkele minuten kunnen duren. Tijdens een gammaflits wordt er honderden keren meer energie uitgestoten dan bij een supernova-uitbarsting. Een supernova is de explosie van een massieve ster op het einde van evolutie. Gammastraling is onzichtbare elektromagnetische straling met een hogere energie dan ultraviolet licht en dan röntgenstraling. Een korte gammaflits duurt minder lang dan twee seconden, lange gammaflitsen duren langer. Onderzoekers gaan er al langer van uit dat korte gammaflitsen het gevolg zijn van een samensmelting van twee neutronensterren (foto bovenaan: een voorstelling van de samensmelting van twee neutronensterren) of van een neutronenster en een zwart gat.  

    NASA

    Voorstelling van een gammaflits. De gammastraling wordt uitgestraald in twee smalle bundels die in de tegenovergestelde richting van elkaar staan.

    Lensvormig sterrenstelsel NGC 4993

    Het netwerk van de LIGO en Virgo-observatoria plaatste de bron van de zwaartekrachtgolven ergens in een groot gebied in de zuidelijke sterrenhemel, een gebied zo groot als verschillende honderden volle manen waarin miljoenen sterren zitten.  

    Toen de nacht viel in Chili, begonnen veel telescopen in dat gebied te speuren naar nieuwe bronnen van licht, waaronder de Very Large Telescope. Het was de Swope-telescoop van 1 meter die als eerste een nieuw lichtpunt aankondigde. Het lag dicht bij het lensvormige sterrenstelsel NGC 4993, in het sterrenbeeld Waterslang (Hydra). Iets later plaatste ook de VISTA infraroodtelescoop van de ESO een bron van infrarood op dezelfde plaats. Iets later pikten ook de grote Pan-STARRS en de Subaru-telescopen op Hawaï de nieuwe lichtbron op en zagen ze die snel evolueren. 

    "Het komt maar zelden voor dat een geleerde de kans heeft het begin van een nieuw tijdperk mee te maken. En dit is zo'n gelegenheid!", zo zei de Italiaanse astronome Elena Pian, een van de auteurs van de studie over de nieuwe ontdekking.

    ESO, IAU and Sky & Telescope

    Het sterrenstelsel NGC 4993 in het sterrenbeeld Waterslang (Hydra).

    130 miljoen lichtjaar

    De ESO lanceerde vervolgens een grote campagne om het nieuw waargenomen object te volgen, en veel telescopen van de ESO en zijn partners observeerden de gebeurtenis en haar gevolgen in alle golflengten. Zo'n 70 observatoria verspreid over heel de wereld, waaronder ook de Hubble-ruimtetelescoop, namen ook deel aan de waarnemingen.

    Schattingen van de afstand, zowel op basis van de gegevens van de zwaartekrachtgolven als van de visuele waarnemingen, kwamen overeen dat de bron van GW170817 op dezelfde afstand lag als NGC 4993, zo'n 130 miljoen lichtjaar van de aarde. Dat maakt dat de nieuwe bron van zwaartekracht­golven de dichtstbijzijnde is die tot nu geobserveerd is, en dat ze ook een van de meest dichtbijzijnde bronnen van een gammaflits is die ooit geobserveerd is. Het betekent ook dat de samensmelting van de twee neutronensterren 130 miljoen jaar geleden gebeurd is.

    NASA and ESA. Acknowledgment: N. Tanvir (U. Leicester), A. Levan (U. Warwick), and A. Fruchter and O. Fox (STScI)

    De Hubble-ruimtetelescoop observeerde de nasleep van de samenstmelting van de twee neutronensterren, de kilonova. Duidelijk te zien is hoe die in de loop van zes dagen minder helder wordt.

    Kilonova

    De rimpelingen in de ruimtetijd die bekend staan als zwaartekrachtgolven, worden veroorzaakt door bewegende massa's, maar enkel de meest intense golven, veroorzaakt door snelle veranderingen in de snelheid van zeer massieve objecten, kunnen momenteel gedetecteerd worden. Een gebeurtenis die dergelijke golven veroorzaakt, is de samensmelting van neutronensterren, de extreem dichte, ingestorte kernen van sterren met een grote massa, die achterblijven na een supernova. Neutronensterren behoren tot de massiefste objecten die we kennen, en een kopje van het materiaal van een neutronenster zou zowat even zwaar zijn als de Mount Everest. 

    Het samensmelten van neutronensterren wordt al langer als de belangrijkste hypothese gezien om korte gammaflitsen te verklaren. En de theoretici verwachtten ook dat een samensmelting van  neutronensterren gevolgd zou worden door een explosieve gebeurtenis die 1.000 keer helderder zou zijn dan een gewone nova, een zogenoemde kilonova. 

    De bijna gelijktijdige ontdekking van zwaartekrachtgolven en gammastralen van GW 170817 deed de hoop oplaaien dat dit object inderdaad de kilonova zou zijn waar men al zo lang naar op zoek is, en de observaties hebben inderdaad een aantal eigenschappen aangetoond die merkwaardig dicht aansluiten bij de theoretische voorspellingen. Kilonovae - het meervoud van een kilonova - werden al meer dan 30 jaar geleden voorspeld, en dit is de eerste bevestigde waarneming.

    ESO

    Het lensvormig sterrenstelsel NGC 4993, gezien door het VIMOS-instrument van de Very Large Telescope van de ESO, met de kilonova-uitbarsting (rode pijl).

    Zware elementen

    Na de samensmelting van de twee neutronensterren verliet een
    uitbarsting van snel uitwaaierende, radioactieve, zware chemische
    elementen de kilonova, met een snelheid van een vijfde van de snelheid
    van het licht. De kleur van de kilonova verschoof van zeer erg blauw
    naar erg rood in de loop van enkele dagen, een snellere verandering dan
    ooit eerder is waargenomen bij een stellaire explosie.

    De spectra die waargenomen werden door een aantal instrumenten doen veronderstellen dat er cesium en tellerium uitgestoten werd door de samensmeltende neutronensterren. Deze en andere zware elementen, die geproduceerd worden tijdens de samensmelting van de neutronensterren, worden door de daaropvolgende kilonova in de ruimte geblazen. De observaties vormen ook een bevestiging voor de vorming van elementen zwaarder dan ijzer, door nucleaire reacties binnen in stellaire objecten met een hoge densiteit. Dat proces staat bekend als r-proces nucleosynthese, en het was tot nu toe enkel een theorie.

    "De gegevens die we tot nu toe verzameld hebben, sluiten verbazingwekkend goed aan bij de theorie.  We hebben hier een triomf voor de theoretici, een bevestiging dat de gebeurtenissen die LIGO-Virgo waarnemen, absoluut echt zijn, en het is een knappe prestatie van de ESO om een dergelijke verbluffende reeks gegevens over de kilonova verzameld te hebben.", zei astronoom Stefano Covino, de belangrijkste auteur van een van de studies over de gebeurtenis.

    De nieuwe ontdekking is gepubliceerd in een aantal studies in "Nature" en elders.

    ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

    Voorstelling van een kilonova met de zware elementen die uitgestoten worden.