Op safari door de kosmos

Het heelal is oud. En de meeste onderdelen – sterren, sterrenstelsels, planeten – veranderen nauwelijks tijdens één mensenleven. Maar andere galactische gebeurtenissen zijn juist binnen weken weer voorbij, en vereisen een pijlsnelle reactie van wetenschappers om ze te bestuderen. Een introductie in mijn onderzoek naar de kortstondige vreetpartijen van kannibalistische sterren.

3 juli 2019

Welkom! Vanaf vandaag neem ik het stokje over van Jordy Davelaar, als Face of Science namens het vakgebied van de sterrenkunde. Mijn naam is Jakob van den Eijnden en ik ben promovendus aan het Anton Pannekoek Instituut voor Sterrenkunde van de Universiteit van Amsterdam. Daar doe ik onderzoek naar sterren die in paren om elkaar heen draaien. Preciezer gezegd, bestudeer ik zulke dubbelsterren als één van deze sterren een veel grote zwaartekrachtsaantrekking heeft dan de ander, en daarmee de andere ster langzaam opeet.

Een schets van een neutronenster, rechts, die gas van een normale ster afpakt en ‘opeet’. Hoewel de neutronenster veel kleiner is afgebeeld dan de oranje buur-ster, is de schets niet op schaal! In het echt zou de neutronenster namelijk niet te zien zijn door zijn minieme afmetingen.
ICRAR/Universiteit van Amsterdam

Maar voordat ik daar meer toelichting bij geef, een beetje achtergrond over hoe sterrenkundigen het heelal bestuderen. Aan de ene kant is sterrenkunde namelijk een vorm van natuurkunde, waarin wordt gefocust op alles dat zich buiten de Aarde bevindt. Maar er is een fundamenteel verschil. Waar veel natuurkundige theorieën gebaseerd zijn op, en getest worden met, door de mens gebouwde experimenten, hebben sterrenkundigen die luxe niet. Een ster bouw je niet eventjes na¹, en een zelfgemaakt zwart gat bestaat (gelukkig) niet. In plaats daarvan zijn we veroordeeld tot een kosmische safari: we kunnen het heelal waarnemen met telescopen en vastleggen wat we zien, maar invloed op ons laboratorium – het hele heelal – hebben we helaas niet.

Buurman opeten

Dit heeft zeker nadelen, maar ook een groot voordeel: als sterrenkundigen doen we onderzoek naar letterlijk de meest extreme dingen die bestaan of ooit bestonden². In die categorie valt ook mijn onderzoek; een ster eet namelijk pas zijn buurman op als zijn zwaartekracht ongelooflijk sterk is – nog veel sterker dan die van de Aarde, van Jupiter, of zelfs van de Zon. Nee, daarvoor hebben we een extreme ster nodig: een neutronenster.

Een neutronenster is het restant van een normale ster, die aan het eind van zijn leven door zijn brandstof heen is en daardoor met veel geweld explodeert. Veel van de ster wordt hierbij weggeblazen, maar de oorspronkelijke kern stort juist ineen. Hierbij wordt zo’n 1 à 2 maal de massa van de zon bij elkaar samengeperst tot een formaat niet groter dan mijn geboorteregio, Zuid-Limburg. In de neutronenster die zo ontstaat, zitten alle eigenschappen van de voorganger samengeperst. Het resultaat hiervan is dat zo’n neutronenster van alle sterren in het heelal de grootste zwaartekracht heeft, de sterkste magneet is, en het snelste ronddraait.

Deze video laat de NICER telescoop in actie zien. Deze telescoop, met het formaat van ongeveer een flinke wasmachine, is speciaal gebouwd voor de studie van neutronensterren, en bevindt zich aan boord van het International Space Station.

Zet zo’n neutronenster in een baan rond een ‘normale’ ster, zoals onze zon, en met zijn enorme zwaartekracht zal hij zijn buur-ster opeten: de buitenste gaslagen van de normale ster stromen door de tussenliggende, lege ruimte naar de neutronenster. En omdat de kannibalistische neutronenster zo extreem is in al zijn eigenschappen, creëert dit een experiment waar een aards laboratorium slechts van kan dromen: hier kunnen we bijvoorbeeld bestuderen wat er gebeurt als gas miljarden graden heet wordt en met een flink percentage van de lichtsnelheid op de krachtigste magneet van het heelal valt, die ook nog eens honderden keren per seconde rond zijn as draait. Bouw dat maar eens na in een natuurkundelokaal.

Vreetpartijen van neutronensterren

Maar dit alles bestuderen gaat niet zomaar. Eerder noemde ik deze vreetpartijen van neutronensterren ‘kortstondig’. Want vaak vinden deze slechts een paar weken plaats, waarna de twee sterren weer terugkeren naar een vredige winterslaap. Bovendien is het niet te voorspellen wanneer dit stellaire all-you-can-eat buffet plaatsvindt. Dus als onderzoeker betekent dit altijd klaarstaan, om zodra het gebeurt, onze telescopen te pakken en dit kannibalisme in actie te observeren. Vergelijk het met een wildfotograaf op safari: voor de perfecte foto, zal je waarschijnlijk eerst dagen moeten wachten.

Over mijn ervaringen tijdens deze safari van het heelal schrijf ik het komende jaar. Ik vertel zowel over de precieze vragen die we proberen te beantwoorden, maar ook over de wijze waarop we dat doen. Hoe we onze telescopen – zowel op aarde als in de ruimte – gebruiken als het plotseling nodig is, en zo proberen een ontdekking te achtervolgen. Maar daarnaast besteed ik ook aandacht aan de ervaringen van mijn collega’s, met andere achtergronden, nationaliteiten, en motivaties om wetenschapper te zijn. Mijn ervaringen zijn er immers maar één, en iedereen heeft haar eigen. Een ding hebben we wel gemeen: we zijn allemaal wetenschappelijke gidsen van die fascinerende kosmische safari.

¹ Niet al mijn collega’s zullen dat overigens met me eens zijn: een echte ster bouw je natuurlijk niet in een laboratorium, maar het kan wel in een computer. Dit gaat dan om computermodellen, die met behulp van de beste kennis die we hebben, het hele leven van een ster simuleren. Zulke “digitale” sterren vergelijk je vervolgens met de sterren in het wild, waardoor je zowel leert hoe die sterren in het wild werken, en of de kennis die je in de computer stopte eigenlijk wel klopt.

² Hoe dieper je namelijk het heelal in staart, hoe verder je terugkijkt in de tijd. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om de ‘oudste’ plaatjes van het heelal te maken, waarin het hele universum pas 400.000 jaar oud is. Benieuwd hoe dat er uitzag? Zoek dan eens naar Kosmische Achtergrond Straling, of kijk eens hier.