In de vroege ochtend van 19 maart 2008 – in Nederland was de zon al op – was er vanuit Amerika even iets heel bijzonders te zien: in het sterrenbeeld Ossenhoeder kwam er een nieuw sterretje bij, duidelijk zichtbaar met het blote oog, om binnen een minuut weer te verdwijnen. Of iemand dit ook echt zelf gezien heeft, is onbekend, maar in elk geval is het verschijnsel met robotische telescopen vastgelegd.

Het is wel aardig om te overwegen wat je zou doen als je korter dan een minuut een nieuwe ster aan de hemel zou zien. Misschien zou je toch nog eens je ogen uitwrijven en jezelf beloven minder te gaan drinken. We beschouwen de sterrenhemel als een eerbiedige, constante wereld van rust. En inderdaad, als we in het zichtbare licht naar de hemel kijken, zijn veranderingen zeldzaam. Ze gaan zo tegen de verwachting in dat een onverwachte komeet of eclips aan het uitspansel vroeger doorgaans als een voorbode van onheil werd gezien. (Tegenwoordig wil een onverwacht helder hemelverschijnsel nog wel eens aanleiding zijn voor een ufo-melding.) Dit komt doordat we in het licht dat onze ogen zien vooral kijken naar sterren zoals onze zon, en die leven toch al gauw tien miljard jaar, ze veranderen dus nauwelijks in een mensenleven.

Vanaf de jaren dertig van de vorige eeuw zijn er echter steeds nieuwe soorten telescopen bijgekomen, die onze blik op het heelal aanzienlijk hebben verruimd. En als we de hemel bekijken met een radio-, röntgen- of gammabril krijgen we een veel minder statisch beeld. De hemel blijkt dan te krioelen van vreemde monsters en ondeugende gremlins die op de meest onverwachte momenten hun grappen en grollen uithalen. Hij ziet er geen twee keer hetzelfde uit. Dat komt doordat we in deze straling naar heel andere hemellichamen kijken, die vaak aardig exotisch zijn: neutronensterren, quasars, pulsars en zwarte gaten.

Grote monsters

De bijzondere lichtflits aan het begin van dit verhaal is een bijverschijnsel van de grootste monsters van allemaal: gammaflitsen. Zoals zoveel dingen in de wetenschap waren gammaflitsen een toevallige ontdekking, in dit geval uit de Koude Oorlog. Gammastraling dringt niet door de atmosfeer en kan dus alleen door satellieten worden waargenomen. In de Koude Oorlog vlogen er voor het eerst zulke satellieten rond, ontworpen voor het zoeken naar gammastraling van kernexplosies. Onverwachts zagen ze echter heldere flitsen gammastraling uit de verre ruimte. Omdat we voor gammastraling geen lenzen kunnen ontwerpen, is het heel moeilijk om scherpe afbeeldingen te maken, zodat we lange tijd zelfs niet nauwkeurig konden meten waar ze aan de hemel stonden. Pas dertig jaar na hun ontdekking, in 1997, kwam er een instrument waarmee dat kon: de zogeheten Wide Field Camera, gebouwd door Nederlandse ruimtewetenschappers van het Netherlands Institute for Space Research (SRON) in Utrecht. Die camera zat aan boord van de Italiaans-Nederlandse satelliet BeppoSAX.

Op 28 februari 1997 pikte deze een gammaflits op en gaf de precieze locatie daarvan door aan de aarde. Paul Groot (1971, promotie Sterrenkunde 1999) en Jan van Paradijs (1946-1999, promotie Sterrenkunde 1975) van ons eigen sterrenkundig instituut Anton Pannekoek namen die plek aan de hemel toen waar met een grote telescoop op La Palma en vonden er een zwak lichtschijnsel dat langzaam in sterkte afnam. Dit noemen we nu de ‘nagloeier’ van de gammaflits. Die nagloeier kan worden waargenomen in bijna alle soorten licht, van gamma- tot radiostraling. Dankzij die nagloeier kwam het onderzoek naar gammaflitsen na dertig jaar raadselachtigheid in een stroomversnelling terecht.

Binnen een jaar begrepen we dat een gammaflits de dood markeert van een zeer zware ster, zeg dertig keer zo zwaar als de zon, en uit die stervende ster de geboorte van een zwart gat. Dit vergt even een stukje achtergrond: sterren moeten van binnen heet zijn om zich te verweren tegen de zwaartekracht, die ze wil samenknijpen. Omdat de ster veel energie verliest – de straling die ze uitzendt – moet ze steeds nieuwe warmte bijmaken. De bron daarvan is kernfusie in het centrum van de ster. Eerst wordt waterstof gefuseerd tot helium (de reactie die men ook op aarde probeert te gebruiken voor energieopwekking), daarna kan het helium worden gefuseerd tot koolstof (daaraan danken wij de organische chemie en dus ons bestaan). Bij zware sterren gaat dit door totdat de kern uit ijzer bestaat, waaruit verder geen energie kan worden gehaald. Dan moet de ster haar verzet tegen de zwaartekracht ten langen leste opgeven en stort de kern in tot een heel compact iets. Meestal is dat een neutronenster, waarin evenveel massa als in de zon gepropt zit in een bol ter grootte van Amsterdam. Maar als de ster heel zwaar was, kan het zelfs een zwart gat zijn.

Eerste sterren

Terug naar onze gammaflits: wanneer de kern van een ster instort, komt daarbij een heleboel energie vrij (een superversie van ‘witte elektriciteit’ uit vallend water). Die zorgt ervoor dat de buitenlagen van de ster juist opgeblazen worden en met enorme snelheid de ruimte in slingeren. In een paar seconden komt evenveel energie vrij als de zon in haar hele leven van tien miljard jaar zal produceren. Het vuurwerk dat dit veroorzaakt, noemen we een supernova. Omdat zware sterren zeldzaam zijn, zijn supernovae dat ook: slechts ongeveer eens per eeuw eindigt een van de honderd miljard sterren in onze Melkweg zo haar leven. Gammaflitsen zijn echter nog veel zeldzamer: in het waarneembare heelal komen er maar een paar per dag voor, oftewel in onze Melkweg één per miljoen jaar. De omstandigheden die hiertoe leiden moeten dus nog veel bijzonderder zijn, en daarvan snappen we het fijne nog niet. De beste gedachte op dit moment is dat de ster niet alleen nog zwaarder moet zijn dan een supernova, maar ook snel moet draaien. Dan kan namelijk na het instorten van de kern tot een zwart gat een enorme energiestroom langs de draaiingsas van de ster naar buiten komen en de gammaflits maken. Blijkbaar zijn deze snel draaiende, zeer zware sterren heel zeldzaam. Hoe dit precies werkt, moeten we nog veel beter uitzoeken.

Wat we wel al zeker weten, is dat de gammaflits en de nagloeier bestaan uit materiaal dat met bijna de lichtsnelheid is weggeslingerd uit de energiebron. Dat kunnen we zien aan het soort licht dat we ervan ontvangen en de manier waarop het met de tijd afzwakt. Op zich straalt snel bewegend materiaal geen energie uit, maar de ruimte tussen de sterren is niet helemaal leeg. Als het weggeslingerde materiaal in botsing komt met het tussen de sterren zwevende gas wordt de enorme energie daarvan deels omgezet in hitte en magnetische velden, en dan straalt het vrij intens. Zulke extreme energieën zijn heel zeldzaam in de natuur en daarom kunnen we in gammaflitsen de natuurwetten in bepaalde opzichten beter testen dan waar ook. Ze vormen een bijzonder laboratorium met omstandigheden die we op aarde niet kunnen creëren.

Behalve als laboratorium voor extreme fysica kunnen gammaflitsen dienen als geschiedkundig gereedschap. Omdat ze zo ongelofelijk helder zijn, kunnen we ze tot zeer ver weg zien. En ver weg is in de sterrenkunde ook lang geleden; immers, als een ster een miljoen lichtjaar van ons af staat, doet het licht er per definitie een miljoen jaar over om bij ons te komen. Dat wil zeggen dat we de ster nu zien zoals ze een miljoen jaar geleden was. De gammaflits die ik in het begin noemde, was ongeveer zeven miljard lichtjaar van de aarde verwijderd, dus in ons veertien miljard jaar oude heelal is die flits al halverwege de kosmische geschiedenis gemaakt, ook al zien wij hem nu pas. Omdat alle gas tussen ons en de gammaflits wat licht van die flits kan absorberen, kunnen we uit het missende licht in de flits het een en ander afleiden over hoe de materie zich heeft ontwikkeld over een tijdsspanne van de helft van de leeftijd van het heelal. Dit kan van groot belang zijn om te begrijpen hoe melkwegstelsels en sterren zijn ontstaan, en hoe de elementen waaruit ook ons lichaam is opgebouwd in de loop van de kosmische geschiedenis in sterren zijn gemaakt.

Het record van de verst verwijderde, en dus oudste, gammaflits werd afgelopen september weer eens verbeterd. Het staat nu op meer dan dertien miljard lichtjaar, wat betekent dat deze flits ontstond toen een ster stierf die slechts 700 miljoen jaar na de oerknal was geboren, in een nog piepjong heelal. Het feit dat er toen al sterren waren, zegt al heel wat over de ontwikkeling van het heelal: vlak na de oerknal was de materie heel gelijkmatig verdeeld, en er is tijd nodig om uit de minimale rimpeltjes in die gladde verdeling door de zwaartekracht steeds sterkere contrasten te maken, net zolang tot de meeste materie is samengestroomd in sterren en melkwegstelsels en de ruimte verder vrijwel leeg is. Die vorming van de eerste sterren is nog onderwerp van levendig debat onder kosmologen, waar gammaflitsen letterlijk een nieuw licht op kunnen werpen.

Er blijven natuurlijk nog behoorlijke raadsels rond gammaflitsen. Vooral de manier waarop een ster ze precies maakt en hoe in de hete schok van snelvliegend gas de condities ontstaan om ze te laten stralen is nog onopgelost. Daarbij zouden nieuwe technieken wel weer eens de doorslag kunnen geven. Zoals de twintigste eeuw ons de gamma- en radiosterrenkunde bracht die tot de ontdekking van het roerige hoge-energieheelal leidden, kan de eenentwintigste eeuw nieuwe vensters openen op het heelal. Door deze vensters komen nog veel exotischer boodschappers uit het heelal tot ons dan die vele soorten licht: gravitatiegolven, kosmische straling en vreemde, ongrijpbare deeltjes die we neutrino’s noemen. Vooral die laatste kunnen heel interessant zijn voor ons probleem: de echte motor van een gammaflits, net na de vorming van het zwarte gat, zit verstopt onder dikke lagen ster, waar geen licht doorheen kan prikken. Maar neutrino’s en gravitatiegolven kunnen dat wel, en daarmee zouden ze een boodschap kunnen overbrengen die ons vertelt hoe dat echt werkt.

De inspanning om op deze nieuwe manieren naar het heelal te kijken en de grote vragen ervan te begrijpen, noemen we ‘astrodeeltjesfysica’ omdat ze een nauwe samenwerking vereist tussen astronomen, deeltjesfysici en theoretici. Ze vergt ook grote, ingewikkelde instrumenten waaraan op dit moment druk ontwikkeld en gebouwd wordt. Aan de UvA zijn we op dit gebied de activiteiten flink aan het uitbreiden, dus u zult daar de komende jaren nog wel vaker over horen. Mijn voorspelling is dat gammaflitsen tot de eerste hemellichamen zullen behoren die we met deze nieuwe ogen zullen ‘zien’.