Je leest:

Op jacht naar gammaflitsen

Op jacht naar gammaflitsen

Auteur: | 6 augustus 2004

Er gaat geen dag voorbij of ergens aan de hemel duikt een felle lichtbundel op die onze planeet vol raakt. Het is dat mensenogen geen gammalicht kunnen zien, anders zouden we tureluurs worden van het geflits.

Elke gammaflitser, want zo heten de bronnen van de dagelijkse dosis gammastraling, jaagt onvoorstelbare hoeveelheden energie het heelal in. Binnen een periode van een paar milliseconden tot een paar minuten lang produceert hij méér energie dan onze zon in zijn hele leven van tien miljard jaar zal uitzenden! Zelfs de langste gammaflitsen zijn zo voorbij, maar het verschil in die levensduur wijst er wél op, dat er een aantal types zijn. Waar komen gammaflitsen vandaan, kunnen we ze ook op onze kosmische stoep verwachten, en…is dat dan gevaarlijk?

Killer radiation

Iedere dag, aldus de Amerikaanse astronoom Stephen Thorsett, maken we het einde van een beschaving mee. Er gaat namelijk geen dag voorbij, of een rond de aarde cirkelende satelliet registreert ergens aan de hemel een flits van gammastraling. Nu is gammastraling niet iets om mee te spotten. Gammastralen hebben een nóg doordringender vermogen dan röntgenstralen en gaan niet alleen dwars door ons lichaam, maar ook door lood en muren van huizen heen. Diep in het inwendige verbranden ze ons lichaamsweefsel. Gammastraling is niets minder dan het spook van de stralingsdood, dat onder andere vrijkomt bij kernexplosies.

“Ho: wacht even!” onderbreekt Thorsett, die verbonden is aan de Princeton-universiteit in New Jersey. "Daar moet je bij vertellen dat de gammastraling die we nú aan de hemel waarnemen geen kwaad doet. Anders zaten we hier niet. Allereerst komt er door de enorme afstanden in het heelal maar zeer weinig gammastraling in de buurt van onze aarde. Ten tweede wordt gammastraling geblokkeerd door de ozonlaag in onze dampkring. Vandaar dat we gammastraling vanuit de ruimte moeten bestuderen met instrumenten aan boord van stratosferische ballonnen, of aan boord van om de aarde cirkelende satellieten. Eén zo’n satelliet die ze waarnam, is het CGRO. Dat is het Compton Gamma Ray Observatory, dat in 1991 aan boord van een space shuttle omhoog werd gebracht en dat in juni 2000 in de atmosfeer terugkeerde.

Het Compton Gamma Ray Observatory werd in de ruimte gezet vanuit het laadruim van een space shuttle. bron: NASA Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

“En toch – ook al kan de gammastraling die we nú opvangen geen kwaad – er is iets dat niet lekker zit. Naast ‘gewone’ bronnen van gammastraling heb je namelijk gammaflitsers. Binnen duizendsten van een seconde vlammen die zeer helder aan de hemel op. Een paar seconden tot hooguit een paar minuten later zijn ze weer uitgedoofd. Bij zo’n sterke flits in zo’n korte tijd moet het gaan om enorme hoeveelheden stralingsenergie.”

Oprispende neutronensterren

Aanvankelijk dachten astronomen dat gammaflitsers oprispende neutronensterren waren. Neutronensterren zijn in elkaar gestorte sterren. Ze zijn ongeveer even zwaar als onze zon, maar hebben een doorsnede van slechts 20 kilometer. Dichtbij een neutronenster is de aantrekkingskracht dan ook zeer sterk. Zo sterk, dat erop vallende objecten exploderen in een flits van stralingsenergie. Gooi een halve kilo zand op een neutronenster, en je krijgt een explosie met een kracht van miljoenen tonnen TNT.

Nu zweven er geen zandzakken door de ruimte. Maar soms draaien twee neutronensterren om elkaar heen. Na verloop van tijd remmen die elkaar af, komen steeds dichter bij elkaar en smelten samen onder afgifte van een flits van stralingsenergie. Zo’n flits is zo sterk, dat hij zelfs vanaf de rand van het heelal moet zijn te zien.

Met ogen die gevoelig zijn voor gammastraling zou de hemel er zó uitzien. Het EGRET-instrument aan boord van het Compton Gamma Ray Observatory registreerde 271 gammabronnen,: zwarrte gaten, neutronensterren, uitbarstende melkwegstelsels en gammaflitsen. Het merendeel van de bronnen is nog niet geïdentificeerd. bron: N. Gehrels, D. Macomb, D. Bertsch, D. Thompson, R. Hartman (GSFC), EGRET, NASA Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

“Waar bevinden zich op elkaar botsende neutronensterren? Overal waar in elkaar gestorte sterren zijn, en dus in melkwegstelsels,” vervolgt Thorsett. "Ook in ónze Melkweg, waar naar schatting eens in de paar honderdduizend jaar neutronensterren botsen. De kans daarop is het grootst in de kern van ons melkwegstelsel, want daar bevinden zich de meeste sterren. Omdat ons zon op 27.000 lichtjaar van de kern ligt, kan een daar optredende gammaburster weinig kwaad. Gammastraling tast namelijk de ozon in onze dampkring aan. Als je dit geval narekent, is het nadelige effect op onze atmosfeer echter niet groter dan dat van de Pinatubo, de vulkaan die in 1991 uitbarstte op de Filippijnen.

“Maar als zo’n botsing zich dichtbij voordoet? Dan is het effect rampzalig! Een gammaflits op een paar duizend lichtjaar van de aarde heeft hetzelfde effect als de ontploffing van ons hele kernwapenarsenaal. Op zo’n moment wordt de hele ozonlaag afgebroken. Is die ozonlaag eenmaal weg, dan teistert de ultraviolette straling van de zon jarenlang het aardoppervlak. Dan is het met veel van de levensvormen op aarde gedaan.”

Het toeval wil dat astronomen op 1500 lichtjaar afstand, in het sterrenbeeld Slang, een zeer innig om elkaar cirkelend paar neutronensterren hebben ontdekt. Die botsen over ongeveer een miljard jaar op elkaar. Wordt dat het definitieve einde van de mensheid? Thorsett: “Je hoeft er nú nog niet wakker van te liggen. Maar toch blijft het een naar idee. Iedere dag zie je wel ergens in het heelal een gammaflits. Als in de buurt daarvan ook planeten met levens wezens daarop voorkomen, is het op dat moment met ze gedaan.”

Grote afstanden

Zou dat nou echt zo gebeuren, dat te gronde gaan van complete beschavingen door plotselinge gammaflitsen? Thorsett hóeft nog niet gelijk te hebben. Want tegenwoordig weten we dat gammaflitsers zich vermoedelijk op zeer grote afstanden bevinden. Toen ze in 1967 door Amerikaanse spionage-satellieten (die moesten controleren of de afspraken over kernproeven internationaal werden nageleefd) werden ontdekt, vormden gammabursters een groot raadsel in de sterrenkunde. Omdat ze slechts zeer korte tijd opflitsten, waren ze al weg nadat een satelliet zijn vondst had doorgeseind. Er was daardoor geen tijd een telescoop te richten en de stralingsbron te identificeren met een bepaalde ster of ander object aan de hemel. En het vervelende was dat een gammaflits zich nooit opnieuw op dezelfde plaats voordeed.

Gammaflitsen zijn bij toeval ontdekt door de Vela-satellieten. De Vela-satellieten moesten eind jaren zestig van de vorige eeuw controleren of de afspraken over kernproeven internationaal werden nageleefd. bron: R. Klebesadel, I. Strong & R. Olson (LANL)/Vela Project. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

“Met de detectors aan boord van het Compton Gamma Ray Observatory probeerden we een tipje van de sluier op te lichten,” vertelt Thorsett’s collega Bohdan Paczynsky. “Aanvankelijk dachten we dat de uitbarstingen plaatshadden ín ons melkwegstelsel. Dan zou je ze dus ook ín de Melkweg moeten zien, in die lichtende band van sterren langs de hemel. Maar BATSE, het Burst and Transient Source Experiment aan boord van CGRO, legde overal aan de hemel uitbarstingen van gammastraling vast. Er waren geen gammaflitsen met duidelijke helderheidsverschillen. Dat wijst erop dat hun bronnen moesten liggen op één bepaalde afstand.”

Animatie van een gammaflits, gemaakt aan de hand van waarnemingen met NASA’s Compton Gamma Ray Observatory. De uitbarsting duurt altijd maar extyreem kort. bron: Laura Whitlock (Imagine The Universe!), GSFC, NASA

Wat ligt er op één afstand? Paczynski: “Er zijn drie mogelijkheden. Allereerst de omgeving van ons zonnestelsel, met name de Oort-wolk van kometen. Ten tweede de bolvormige ‘halo’ van oude sterren om onze Melkweg. En ten derde de rondom ons gegroepeerde, ver verwijderde melkwegstelsels. Alleen in die gevallen heb je én een gelijkmatige afstand én een verspreiding over de hele hemelbol.”

Thorsett en Paczynski hielden het op ver verwijderde melkwegstelsels met daarin botsende neutronensterren. Maar Joseph Silk, van de universiteit van Californië in Berkeley, dacht aan witte dwergen in de halo om ons melkwegstelsel. Witte dwergen zijn oude, in elkaar geschrompelde sterren. Zij ontstonden in een bolvormige schil vóórdat onze Melkweg zijn afgeplatte vorm aannam. Volgens Silk zijn er in de halo witte dwergen die op elkaar botsen. Daaruit ontstaan verse neutronensterren. Elke pasgeboren neutronenster zou een flits van gammastraling uitzenden.

R. Stephen White, van de universiteit van Californiëin Riverside, wedde op ijzige kometen in de Oort-wolk om ons zonnestelsel. Die botsen op elkaar of worden opgeslokt door minuscule zwarte gaten. Die mini-zwartegaten zouden overblijfselen zijn van de oerexplosie van ons heelal. Volgens theoretici moeten zij sporadisch in de ruimte zijn te vinden.

Om uitsluitsel te krijgen ontwikkelden Gerald Fishman en Scott Barthelmy van het Marshall Space Flight Center van de NASA (die verantwoordelijk was voor het meetinstrument BATSE) een volautmatisch ‘rapid-reaction system’. Via een snelle verbinding over het Internet werd het Compton Gamma Ray Observatory direct verbonden met dertig optische telescopen en radiotelescopen over de hele wereld. Zo snel mogelijk nadat er één zou optreden, zou de telescopen op de bewuste plaats aan de hemel wordt gericht.

De doorbraak kwam echter na de lancering van de Italiaans-Nederlandse röntgensatelliet Beppo-SAX. Die werd op 30 april 1996 gelanceerd om röntgenbronnen aan de hemel op te sporen. Aan de totale kosten van 365 miljoen euro voor deze satelliet droegen de Nederlandse overheid en industrie 32 miljoen euro bij. Stichting Ruimteonderzoek Nederland (SRON) ontwikkelde en bouwde de groothoek-röntgencamera voor de satelliet. Dit instrument kreeg een zeer groot blikveld op de hemel, waardoor de kans om een flits te ‘vangen’ zeer groot werd. Een eerste plaatsbepaling van het röntgensignaal aan de hemel (gammaflitsen zijn ook – maar zwakker – in röntgenstraling en optisch licht waarneembaar) zou voldoende nauwkeurig moeten zijn om de bron met optische of radio-telescopen op aarde verder te onderzoeken.

Raak!

In februari 1997 was het raak en werd voor het eerst het optisch ‘nagloeien’ van een flits waargenomen door het team dat onder leiding stond van wijlen prof.dr. Jan van Paradijs. Dat optisch nagloeien was heel duidelijk te zien op opnamen die werden gemaakt met de William Herschel telescoop op La Palma, waar Nederlandse astronomen toegang hebben.

De historische gebeurtenis van 28 februari 1997. Voor het eerst is het nagloeien van een gammaflits vastgelegd door een team astronomen onder leiding van de Nederlandse sterrenkundige prof.dr. Jan van Paradijs (1946-1999). Van Paradijs en het Beppo-SAX team kregen hiervoor in 1998 de Bruno Rossi-prijs: de hoogste internationale onderscheiding op het gebied van de hoge energie astrofysica. bron: BeppoSAX Team, ASI, ESA Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Dankzij deze opnamen was het voor het eerst mogelijk de positie nauwkeurig vast te stellen en daarmee ook een minimale afstand van een gammaflits te bepalen. Het bleekt dat deze zich op een kosmologische afstanden had voorgedaan, vér buiten ons eigen Melkwegstelsel. Door die enorme afstand werd duidelijk dat gammaflitsen zeer energierijk zijn. De uitgezonden energie zou zelfs nog groter zijn dan die van een ontploffende ster, of supernova, en in dit verband werd ook de term hypernova ingevoerd. Een hypernova, zo wordt geconcludeerd aan de hand van spectraalopnamen van een op 29 maart 2003 waargenomen gammaflits, vormt het gewelddadige einde van een superzware ster van meer dan 25 zonsmassa’s.

Op 11 december 2001 zag de Italiaans-Nederlandse sateliet Beppo-SAX een gammaflits in het sterrenbeeld Crater. Toen telescopen razendsnel op de bron werden gericht om het optisch nagloeien vast te leggen, werd duidelijk dat de gammaflitser in een zich op miljarden lichtjaren afstand bevindende melkwegstelsel bevond. Dit melkwegstelsel is te zien als een klein veegje boven en links van de gammaflitser. Uit spectraalopnamen konden vrijgekomen elementen als magnesium, silicium, zwavel, argon en calcium worden aangetoond. Dit soort zware elementen worden opgebouwd in een ster die aan het einde van zijn levenscyclus is gekomen.<br/ > bron: Beppo-Sax<br/ >Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Hoe kan een hypernova de toch al zo intens heldere klasse van supernovae overtreffen? Eén hypothese is, dat het komt doordat de kern van een hypernova niet ineenstort tot een neutronenster, maar tot een zwart gat. Als de kern van een ster een neutronenster vormt, botsen naar binnen vallende buitenlagen daar op en ‘stuiteren’ naar buiten. Dat wordt een ‘core bounce’ genoemd. Vormt de kern een zwart gat, dan is er niets om op af te ketsen en vallen de buitenlagen richting het zwarte gat. Waarschijnlijk wordt een deel van de massa door het rondtollende gat zó opgezwiept, dat het langs de rotatieas naar buiten schiet. Op weg naar buiten ploegt het door andere naar binnen vallende materie heen en die botsing zou gammastraling kunnen produceren.

Wat gebeurt er precies bij een gammaflits? De simulatie toont een snel ronddraaiend zwart gat dat langs zijn rotatie-as twee jets wegsproeit. Eén ervan is naar de aarde gericht en stuurt een bundel gammastraling onze kant op. _ Klik op de afbeelding voor een grotere versie._

Babyflitsje

Hoewel de hypernova-hypothese nu algemeen wordt aanvaard – in de snel uitdijende bolschil rond de explosie werd geen ijzer aangetroffen, wat bij een normale supernova-explosie wel aanwezig is – is het laatste woord over de gammaflitsen natuurlijk nog niet gevallen. Zo blijkt de hoeveelheid straling van een op 3 december 2003 met de ESA-gammastralinsgsatelliet Integral (International Gamma Ray Astrophysics Laboratory) waargenomen gammaflits relatief zo gering, dat gedacht moet worden aan een geheel nieuwe, minder lichtsterke klasse van gammaflitsen. GRB 031203, zoals het object werd genoemd, ontplofte in een melkwegstelsel op minder dan 1,3 miljard lichtjaar afstand, waardoor het ook de dichtstbijzijnde gammaflitser is die tot nog toe is waargenomen.

De ‘baby-gammaflits’ GRB 021203, in röntgenlicht waargenomen door het Chandra X-ray observatory. bron: NASA/CXC/Caltech/A.Soderberg et al.

GRB 031203 heeft maar een duizendste van de sterkte van de ‘gewone’ gammaflitsen. En nu de sterrenkundigen terugzoeken is er de waarneming van april 1998, toen Titus Galama en Paul Vreeswijk van het Amsterdams sterrenkundig instituut ‘Anton Pannekoek’ ook al een onwaarschijnlijk slappe gammaflits waarnamen. De onderzoekers dachten toen dat de flits zo zwak was omdat de bundel gemmastraling half langs de aarde zou zijn geschampt. Heel opmerkelijk was destijds dat deze flits gepaard ging met een supernova.

Op 29 maart 2003 vond het Amsterdamse team in het spectrum van een zeer veraf gelegen gammaflits een nog duidelijker aanzijzing voor een supernova. GRB 031203 maakt dat beeld nu compleet: een op het eerste gezicht normale, maar heel zwakke, gammaflits, direct gevolgd door een supernova.

Zware sterren leven kort en exploderen aan het einde van hun bestaan. Wat er gebeurt tijdens de explosie is op de beelden van deze animatie te zien. Door convectieve bewegingen ontstaan pluimen, die de druk van het naar sterkern toe vallende gas overkomen en naar buiten bewegen. Een supernova-explosie straalt tijdelijk net zoveel licht uit als een heel melkwegstel van 100 miljard sterren. De gammaflits die bij hypernovae optreedt, is nog eens duizendmaal energierijker. bron: Michael Warren, Los Alamos National Laboratory.

Een zwakke gammaflits is nog altijd enkele malen sterker dan de klassieke supernova. Kennelijk is er een geleidelijker overgang tussen supernovae en gammaflitsen. Misschien verschillen stervende sterren wel onderling door de sterkte van hun magneetveld of door de mate van hun rotatie? Of worden sommige sterren als ze exploderen eerst een neutronenster en pas later een zwart gat?

En dan daarna… Supernovae worden spectaculaire hemelobjecten. Dit exemplaar, G292.0 1.8, werd in 2000 opogemnerkt door het Chandra X-ray Observatory. De uitdijende gasschil heeft een diameter van 36 lichtjaar. bron: Chandra X-ray Observatory. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

In ieder geval hebben sterrenkundigen weer iets waaraan ze jarenlang kunnen waarnemen en theoretiseren. Met smart wachten ze nu op de gammastralingsatelliet Swift, die volgens plan op 7 okotober 2004 zal worden gelanceerd. De instrumenten aan boord van Swift zijn veel gevoeliger dan die van de andere gammastralingsatellieten, zodat Swift vermoedelijk ook veel meer zwakke flitsjes zal zien.

Met de begin oktober te lanceren gammastralingsatelliet Swift hopen astronomen zeer snel op gammaflitsen te kunnen inzoomen. Swift is Engels voor ‘gierzwaluw’, het vogeltje dat razendnel vliegen vangt. Wetenschappelijk projectleider van Swift is dr. Neil Gehrels, zoon van de beroemde Amerikaanse astronoom van Nederlandse afkomst prof. dr. Tom Gehrels.

Dit artikel is een publicatie van Astronet.
© Astronet, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 06 augustus 2004

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.