Je leest:

Gammaflitsen – geboortekreten van zwarte gaten

Gammaflitsen – geboortekreten van zwarte gaten

Auteur: | 14 augustus 2006

Gammaflitsen zijn de krachtigste kosmische explosies die we kennen, de grootste ook sinds de oerknal. Paradoxaal genoeg ontstaan ze bij de geboorte van zwarte gaten, waaruit zelf niets kan ontsnappen. Zes jaar nadat Nederlandse groothoekcamera’s de gammaflitsrevolutie inleidden, is het precieze ontstaan van de extreme sterontploffingen nog steeds een raadsel. In ieder geval hebben gammaflitsen te maken met stervende sterren, pasgeboren zwarte gaten en relativistische schokgolven.

Gammaflitsen zijn de krachtigste kosmische explosies die we kennen, de grootste ook sinds de oerknal. Paradoxaal genoeg ontstaan ze bij de geboorte van zwarte gaten, waaruit zelf niets kan ontsnappen. Zes jaar nadat Nederlandse groothoekcamera’s de gammaflitsrevolutie inleidden, is het precieze ontstaan van de extreme sterontploffingen nog steeds een raadsel. In ieder geval hebben gammaflitsen te maken met stervende sterren, pasgeboren zwarte gaten en relativistische schokgolven.

“Elk kwartier ontstaat wel ergens in het heelal een zwart gat”, zegt professor John Heise. “Naar schatting tenminste, want we zien zwarte gaten niet direct. Een zwart gat kent zo’n sterk zwaartekrachtveld dat zelfs licht er niet uit kan ontsnappen. Ze verraden zich door de invloed van hun zwaartekrachtveld op de omgeving.” Heise is bijzonder hoogleraar aan de Universiteit Utrecht en hij was wetenschappelijk projectleider van de groothoekcamera’s aan boord van de Italiaans-Nederlandse satelliet BeppoSAX. Deze bij SRON in Utrecht ontworpen en gebouwde camera’s zorgden in 1997 voor de grote doorbraak in het gammaflitsonderzoek: voor het eerst maakten ze plaatsbepaling mogelijk en voor het eerst ontdekte men nagloeiers in andere delen van het spectrum dan het gammaspectrum (zie het kader Gammaflitsrevolutie).

Gammaflitsen zijn de geboortekreten van zwarte gaten, kosmische boodschappers van de meest extreme explosies uit het heelal. Astronomen nemen ongeveer één à twee gammaflitsen per dag waar. Inmiddels hebben ze in totaal ruim drieduizend gammaflitsen geregistreerd. “In de paar seconden van de gammaflits komt meer energie vrij dan de zon in heel haar leven uitzendt”, zegt professor Ed van den Heuvel, hoogleraar sterrenkunde aan de Universiteit van Amsterdam en projectleider van het Europese onderzoek naar gammaflitsen. In december 2002 won de Europese samenwerking de Descartesprijs van een half miljoen euro: een prijs voor uitmuntend onderzoek verricht in Europees verband.

Animatie van een gammaflits. Links de opgloeiende flits aan de hemel. De horizontale ovaal bestaat uit de gammastraling van onze eigen melkweg. Rechts de opgevangen energie per seconde. bron: NASA’s Imagine

Gammaflitsen zijn niet alleen fascinerende hemelverschijnselen in zichzelf, ze raken ook aan de meest fundamentele vragen over het heelal: hoe sterven sterren, waar en hoe ontstaan zwarte gaten en welke kosmische motor smijt zulke extreme explosies de ruimte in? Bovendien ontstaan gammaflitsen uit explosies die de hofleveranciers zijn van alle elementen zwaarder dan helium. Zonder kosmische superexplosies geen zuurstof, koolstof, calcium en ijzer. Zonder kosmische superexplosies geen leven.

Glad verdeeld

Gammastraling is de meest energierijke straling uit het elektromagnetische spectrum, met een energie van tienduizend tot zelfs miljoenen maal de energie van zichtbaar licht. De gammaflitsen verschijnen opmerkelijk genoeg gelijkelijk uit alle delen van het heelal. “De enige andere objecten die glad verdeeld zijn over het universum, zijn verre sterrenstelsels”, zegt Van den Heuvel. “De isotrope gammaflitsverdeling was daarom een sterke aanwijzing dat de straling uit het diepe heelal moest komen.” Zekerheid bleef echter lange tijd uit.

Gammaflitsen zijn gelijkmatig over de hemel verdeeld.

Astronomen moesten ter verklaring van gammaflitsen ofwel een object rond de Melkweg aannemen dat ze nog nooit hadden gezien, ofwel gigantische explosies op kosmologische afstanden, veel en veel krachtiger dan de tot dan toe krachtigste bekende explosies: de quasars. “Beide opties leken waanzinnig”, zegt Heise, “in ieder geval revolutionair. Dat leverde in de jaren tachtig felle debatten op. BeppoSAX, met zijn Utrechtse groothoekcamera’s, besliste in 1997 het pleit in het voordeel van de extreme explosies ver weg in het heelal. De meeste gammaflitsen komen van bronnen op afstanden van vijf tot twaalf miljard lichtjaar, terwijl het heelal zo’n dertien miljard jaar oud is.” Na de gammaflits volgt nog dagenlang een nagloed in bijna alle andere delen van het elektromagnetische spectrum: van röntgenstraling en zichtbaar licht tot radiostraling.

Sinds 1997 hebben astronomen langzaam meer begrip gekregen van gammaflitsen. Inmiddels is duidelijk dat gammaflitsen uit melkwegstelsels komen waar veel stervorming optreedt. Daarnaast deden de Amsterdamse promovendi Titus Galama en Paul Vreeswijk op 25 april 1998 een nieuwe belangrijke ontdekking. Ze vonden een gammaflits samenvallend met een supernova die tienmaal zo energierijk was dan een normale supernova. “Dat moet een stervende ster zijn geweest van zeker veertig zonsmassa’s”, aldus Van den Heuvel. “Anno 2003 hebben we in totaal vijf flitsen gevonden die samenvallen met een supernova. Op 23 januari 1999 vonden we er zelfs een die tijdelijk een miljoen keer zo helder was als een gewone supernova. Die had je met een gewone verrekijker kunnen zien.” Dat het om een supernova gaat, volgt uit het tijdsverloop van de helderheid van het zichtbare licht na de gammaflits. De nagloed van een gammaflits is na een week verdwenen, maar de supernova bereikt pas na een week zijn maximale helderheid en houdt een paar weken aan.

“De gebeurtenis van 25 april 1998 leverde zowel een uitzonderlijke gammaflits, als een uitzonderlijke supernova”, zegt ook de Utrechtse sterrenkundige. “Jan van Paradijs (de in 1999 overleden Nederlandse ontdekker van de optische nagloeier van een gammaflits) zei toen tegen me: ‘Of de connectie tussen gammaflits en supernova waar is of niet, in ieder geval zullen we er nog jaren over praten.’ Van Paradijs was daar zichtbaar tevreden mee. We praten inderdaad nog steeds over dat scenario.”

Beelden van de omgeving van GRB 971214, gemaakt met de W.M. Keck 10-meter telescoop op Mauna Kea, Hawaii. De linkerafbeelding is van twee dagen na de gammaflits. Duidelijk zichtbaar is de nagloeiende rest van de gammaflits. Na twee maanden (rechterafbeelding) is de gammaflits uitgegloeid en is als licht vlekje het sterrenstelsel zichtbaar waarin de gammaflits plaatsvond. bron: Keck telescoop

Roterend zwart gat

De meeste astronomen geloven nu in twee scenario’s ter verklaring van de gammaflitsen: het hypernovamodel en het spiraliserende-neutronensterrenmodel. Beide kennen vrijwel hetzelfde slot, maar een ander begin. Over de precieze details bestaat nog geen consensus, maar wel over de hoofdlijnen. Beide modellen veronderstellen de uiteindelijke vorming van een roterend zwart gat met een schijf van stermaterie om zich heen: ofwel materie van een zware stervende ster, ofwel van twee neutronensterren die steeds dichter om elkaar heen gingen spiraliseren totdat ze op elkaar vielen.

Hoe extreem het ontstaan van gammaflitsen is, blijkt wel uit een aantal kenmerken, zoals astronomen die nu denken te kennen. Van den Heuvel: “Bij de vorming van het zwarte gat en de materieschijf spiraliseert materiaal met een snelheid van duizenden omwentelingen per seconde naar binnen. De stroperigheid van de materie is groot en vermoedelijk ontstaan er extreme magneetvelden. Materiaal valt spiraliserend op het zwarte gat waarbij veel zwaartekrachtsenergie vrijkomt. Dan gebeurt de explosie. Bundels van materie en straling worden uitgestoten langs de weg van de minste weerstand, dus in de richting loodrecht op de materieschijf. Ondanks de vele duizenden schijfomwenteling gaat het proces razendsnel.”

De explosie stoot ook grote hoeveelheden neutrino’s uit, spookdeeltjes die bijna overal doorheen flitsen. Maar de schijf is zo onvoorstelbaar dicht dat zelfs neutrino’s er in eerste instantie niet doorheen suizen. Een paar aardmassa’s aan sterrenmateriaal versnelt tijdens de explosie tot in de buurt van de lichtsnelheid. Dat is naar kosmische maatstaven niet eens zoveel materie, maar door de relativistische snelheid is de totale energie gigantisch. Het idee is dat materieklodders met verschillende relativistische snelheden bewegen. Als de ene klodder de andere inhaalt, levert dat een zeer energetische botsing op. Het resultaat is een interne schokgolf die gammastraling uitstoot.

Deeltjes zenden in hun eigen referentiekader gammastraling in alle richtingen uit, maar door de bijna-lichtsnelheden zien wij één- tot tweemaal per dag die straling als een kleine kegel op de aarde gericht. Dat is de gammaflits. Vervolgens botst de exploderende bundel van materie en straling met interstellaire materie. Dit produceert een externe schokgolf die de nagloeiers van het röntgengebied tot het radiogebied uitzendt. “In werkelijkheid gebeurt dat dagen tot weken later in de tijdswaarneming van het naar buiten bewegende materiaal”, zegt Van den Heuvel. “Wij zien dat echter vrijwel meteen na de gammaflits. Een raar relativistisch tijdseffect.”

De nagloeiers zeggen dus eigenlijk niets over de oorspronkelijke explosie, want het komt van ander materiaal. “Dat maakt het zo moeilijk om meer van de centrale motor van de superexplosies te weten. Een hoop van het geheugen gaat onderweg verloren, dat is de ellende”, zegt de Amsterdamse sterrenkundige. Alleen indirect zeggen de nagloeiers iets over de oorspronkelijke explosie. “Vlak voor die uitbarsting zit er allerlei materie die de historie van de instortende ster aangeeft”, meent ook de Utrechtse astronoom. “Straling suist door de historie van die stervende ster heen.”

Sterven ver van huis

Het hypernovamodel gaat uit van een hele zware supernova. Een supe

De grote heelalvragen

“Gammaflitsen zijn de allermooiste en meest ideale hemelverschijnselen voor het bestuderen van de stervormingsgeschiedenis, van het vroege heelal tot nu”, vindt Van den Heuvel. “Dat zie ik persoonlijk als het meest interessante. Eén van de grote onopgeloste vragen uit de sterrenkunde is hoe en wanneer sterren voor het eerst ontstonden, of er een piek in de stervorming was, en hoe stervorming in de tijd evolueerde.” Ook zijn Utrechtse collega ziet deze vragen als dé vragen voor de toekomst. “Misschien ontstonden sterren al 200.000 jaar na het ontstaan van het heelal”, vertelt hij. “Dat is veel eerder dan de paar honderd miljoen jaar die de meeste astronomen nu veronderstellen. Met gewone telescopen kunnen we niet zo ver kijken, maar via gammaflitsen kunnen we die vroege stervormingsgeschiedenis wel bestuderen.”

Astronomen willen gammaflitsen in de toekomst bestuderen als functie van de roodverschuiving, een maat voor de afstand en daarmee voor de tijd. Omdat de hele ruimte uitdijt, rekt ook de golflengte van een foton uit. Zo kan een foton uit het ultraviolette spectrum roodverschuiven naar het optische-lichtgedeelte. “Via de gammaflitsen kunnen we makkelijk tot roodverschuiving twintig het heelal in kijken”, denkt Van den Heuvel. “Toen was het heelal 21 maal zo klein in lineaire dimensies, en dus 213 maal zo klein in volume. Alles zat toen veel dichter op elkaar. Zo kijken we naar een heelal van slechts een paar honderd miljoen jaar oud.”

Een tweede heet subonderwerp uit het gammaflitsonderzoek is het ontstaan van zwarte gaten. Van den Heuvel: “Eigenlijk hadden we tot voor kort helemaal geen clou over het ontstaan van zwarte gaten. We vonden ze wel in röntgendubbelsterren, maar er waren ook mensen die dachten dat er helemaal geen explosie plaatsvond. Nu lijkt het daar wel degelijk op. Het hypernovamodel is erop gebaseerd. We hadden ook geen flauw vermoeden dat de vorming van een zwart gat een zichtbaar verschijnsel zou geven. Veel wetenschappers dachten dat een stervende zware ster gewoon in een zwart gat verdwijnt zonder een stralingsspoor achter te laten.”

Nieuwe baanbrekende gammaflitsmetingen komen wellicht al eind dit jaar. In september wordt namelijk de Amerikaans-Brits-Italiaanse Swift-satelliet gelanceerd. Deze geeft onmiddellijk de positie van een gammaflits met grote nauwkeurigheid. Telescopen aan boord van Swift kunnen zich dan binnen twintig tot dertig seconden richten op de kosmische superexplosie. De satelliet zal nieuw licht werpen op de korte gammaflitsen. “De primaire explosies zien we in de gammaflits, dan zien we een tijdje niets en daarna registreren we het nagloeien”, aldus Heise. “Swift leert ons vermoedelijk veel meer over wat er in de tussenperiode gebeurt.”

Het liefst willen sterrenkundigen meteen uit de gammaflits zelf de roodverschuiving en dus de kosmologische afstand bepalen. Dat kan nu nog niet. Heise en zijn Utrechtse SRON-collega’s werken daarom aan een methode om de energie van een gammafoton veel nauwkeuriger te bepalen. Dat wordt de volgende stap in het gammaflitsonderzoek na Swift. Het geld van de EU-Descartesprijs komt daarbij handig van pas.

BeppoSAX, de satelliet met de Nederlandse groothoekcamera’s die tussen 1996 en 2002 kosmische röntgenbronnen bestudeerde, valt trouwens naar verwachting in april de atmosfeer binnen. Ergens rond de evenaar worden zelfs brokstukken van deze gammaflitspionier verwacht.

De gammaflits-revolutie

Het was de Amerikaanse spionagesatelliet Vela 4 die in 1967 de eerste gammaflits registreerde. Een militaire missie die een onverwachte en onbedoelde kosmische ontdekking deed (kosmische radiogolfstraling, -microgolfstraling en -röntgenstraling werden trouwens ook ooit ontdekt terwijl men er niet naar op zoek was). Eigenlijk moest de satelliet controleren of de Russen geen illegale kernproeven in de ruimte uitvoerden. In 1963 was namelijk een verdrag gesloten dat kernproeven in de atmosfeer en in de ruimte verbood. Omdat tijdens een kernexplosie ook een flits van gammastraling vrijkomt, bevatte de Vela-satelliet gammadetectoren. Vela-4 registreerde inderdaad gammaflitsen, alleen kwamen ze niet van de aarde, maar uit de kosmos. Opwinding dus bij astronomen in plaats van bij politici. Omdat de astronomen uit de gammaflitsen alléén geen afstanden konden berekenen, tastten ze in het duister over hoe ver weg de gammaflitsbronnen stonden. De geboorte van een mysterie.

Dertig jaar lang bleven gammaflitsen een groot raadsel, totdat twee Nederlandse röntgengroothoekcamera’s aan boord van de Italiaans-Nederlandse satelliet BeppoSAX het eerste deel van het mysterie in 1997 oplosten. Een revolutie in de sterrenkunde. De groothoekcamera’s van Nederlandse makelij ontdekten röntgennagloeiers van de gammaflitsen. Bovendien maakten ze voor het eerst zulke precieze opnamen van de röntgenemissie dat ze de plaats van de gammaflits aan de hemel op een paar boogminuten nauwkeurig bepaalden. Optische telescopen konden nu – zes tot negen uur na de positiebepaling door de groothoekcamera’s – gericht op die specifieke hemelpositie zoeken. Astronomen van de Universiteit van Amsterdam onder leiding van Jan van Paradijs vonden zo nog dagen na de gammaflits een nagloed in zowel het röntgen-, het zichtbare-licht- als het radiospectrum.

De optische telescopen bepaalden ook de roodverschuiving, een maat voor de astronomische afstand. Zo ontdekten ze dat gammaflitsen van zeer ver weg vandaan komen, bijna van de rand van het waarneembare heelal. Zulke intense straling, van zo ver weg. Dat bewees dat gammaflitsen de hevigste explosies in het heelal zijn. Het precieze mechanisme achter het ontstaan van gammaflitsen is nog steeds in nevelen gehuld. Het oplossen van dit nieuwe raadsel is een van de ‘hot topics’ uit de sterrenkunde.

Literatuur

Het spannende verhaal over de jacht op gammaflitsen staat beschreven in: Govert Schilling, Flash! – De jacht op kosmische superexplosies, Amsterdam: Wereldbibliotheek, 2000, 272 pag., ISBN 9028418806

Meer weten over Bennie Mols?

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 augustus 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.