Je leest:

Sterkste gammaflits ooit

Sterkste gammaflits ooit

Auteur: | 18 februari 2005

Op 27 december verblindde een flits gammastraling van recordsterkte de kersverse Swift-satelliet. Die gammaflits kwam uit onze eigen melkweg en werd veroorzaakt door een intens magnetische neutronenster.

De NASA-satelliet Swift, gelanceerd op 22 november 2004, is speciaal ontworpen om gammaflitsen op te sporen. Dat zijn uitbarstingen van gammastraling in het verre heelal waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. Op 27 december werd Swift van achteren geraakt door zo’n gammaflits. Dwars door de hele satelliet heen wist die flits de gammateller tijdelijk te verblinden. Het ging dan ook om de helderste gammaflits die ooit is waargenomen.

Als de gammaflitser zijn energie in zichtbaar licht had afgeleverd, was hij helderder geweest dan de volle maan. Hij zorgde ook voor een kort moment van ruis op bepaalde radiobanden. Sterrenkundigen gingen dan ook meteen op zoek naar de bron van deze record-flits. Die bleek veel bescheidener dan je op het eerste gezicht zou verwachten.

Gammaflitsen doen zich over de hele hemel verspreid voor. NASA’s Swift-satelliet kan razendsnel bijdraaien om zo’n flits in het vizier van zijn telescopen te krijgen. De satelliet heeft drie verschillende instrumenten aan boord en kan daarmee de gammastraling zelf, maar ook het nagloeien van de explosie in röntgen-, ultraviolet en zichtbaar licht meten. bron: NASA

Animatie van NASA: Swift bij draait om de gammaflits te observeren

Hoogleraar Ralph Wijers geeft leiding aan het gammaflitsteam van de UvA. Hij is een van de astronomen die direct na de gammaflits van 27 december werden gewaarschuwd. In overleg met collega’s van ASTRON (Stichting Astronomisch Onderzoek Nederland) schakelde hij de Nederlandse radiotelescoop te Westerbork in om naar de nagloeiende gammaflits te turen. Niet ver van Westerbork begon het Nederlandse JIVE-centrum in Dwingelo zijn eigen wereldwijde netwerk van radiotelescopen op de heldere plek aan de hemel te richten.

Wat bleek? De gammaflits kwam uit onze eigen melkweg en was niet veroorzaakt door een ontploffende reuzenster – een hypernova – maar door de neutronenster SGR 1806-20. “Het is een van de meest spectaculaire uitbarstingen die we tot nu toe hebben gezien en dus een extreme test voor ons begrip van deze zeldzame soort sterren,” zegt professor Wijers.

Het spectrum van elektromagnetische straling. Zichtbaar licht beslaat maar een piepklein deel van het spectrum; ruwweg het golflengtegebied tussen 350 (violet) en 600 nanometer (rood). Hoe korter de golflengte, hoe meer energie er in elk foton (lichtdeeltje) van de straling zit opgeslagen. Gammastraling is de energiekste straling die er bestaat, radiostraling de zwakste. Eén gammafoton draagt miljoenen malen de energie van een foton zichtbaar licht.

Magnetar

De neutronenster SGR 1806-20 (SGR: soft gamma-ray repeater; gammaflikkeraar) is een van de ongeveer 10 magnetars in onze melkweg. Dat zijn neutronensterren met een extreem sterk magnetisch veld, tot honderd keer zo ster als dat van een normale neutronenster. Een neutronenster is het restant van een reuzenster; die scheurt zich aan het eind van zijn leven in een supernova uit elkaar. De kern stort onder zijn eigen gewicht in elkaar en vormt een bal neutronen van bijna 20 kilometer doorsnede. Alleen in de buitenlaag vind je nog normale materie, voornamelijk ijzer. Een magnetar is een zeldzaam type neutronenster. In onze complete melkweg met zijn vierhonderd miljard sterren zitten maar tien magnetars.

De magneetvelden van magnetars bereiken een kracht van miljarden Tesla. Het aardmagnetisch veld haalt nog geen tienduizendste Tesla en in een laboratorium scheurt een elektromagneet zichzelf uit elkaar als je de veldsterkte boven de 45 Tesla probeert op te drijven. Magnetars zijn de krachtigste magneten in het heelal. Hoe ze precies zulke enorme magneetvelden opwekken is niet duidelijk, maar misschien brengt de waarneming van SGR 1806-20 daar meer helderheid in.

De positie van magnetar SGR 1806-20 aan de hemel: vlakbij boogschutter (Sagittarius), het sterrenbeeld dat de richting van de melkwegkern aangeeft. De intens magnetische neutronenster ligt op 50.000 lichtjaar van de aarde, aan de andere kant van de kern. Op 27 december 2004 braakte de magnetar zóveel gammastraling uit, dat de speciale gammaflitsjager Swift er ondanks de afstand even door verblind raakte. bron: NASA

NASA-animatie die de positie van SGR 1806-20 aan de hemel laat zien (2115 Kb, MPEG)

“Een gammaflikkeraar zendt wel vaker gammaflitsen uit, maar de energie die daarbij vrijkomt is nog vrij laag”, vertelt Wijers. “Een paar keer in zijn leven kan een magnetar een echt grote gammaflits afgeven. Daarbij komt zo’n tien procent van de energie in zijn magneetveld in één klap vrij.”

Ter vergelijking: in een normaal gammaflitsje van een magnetar zit 1035 Joule aan energie: een één met 35 nullen erachter. Een superuitbarsting, waarvan sterrenkundigen er tot december twee hadden waargenomen, bevat rond de 1037 Joule, honderd keer zoveel als in de reguliere flikkering.

De gammaflits van 27 december was zelfs voor zo’n superuitbarsting enorm sterk: hij maakte 1039 Joule vrij, 100 keer meer dan de twee eerder waargenomen superuitbarstingen. Waar hebben we het dan over? Onze zon, toch niet veel anders dan een permanente kernexplosie, doet er 150.000 jaar over om zoveel energie uit te stralen.

Nog steeds niet in de buurt van de gammaflitsen die een ontploffende reuzenster (hypernova) produceert: 1046 tot 1047 Joule. Daarbij wordt dan ook een massa ter grootte van de zon compleet in energie omgezet. Hoe weet een bescheiden neutronenster, zelf een paar zonsmassa’s zwaar, ook maar een miljoenste van die energie te produceren?

Gekraakt

“We denken dat de superuitbarstingen van gammaflikkeraars wel wat op zonnevlammen lijken”, zegt Wijers. Zonnevlammen zijn explosies op de zon, die heet plasma de ruimte in slingeren. Ze ontstaan als magnetische veldlijnen van de zon in elkaar verstrengeld raken. Die veldlijnen zitten verankerd aan materiaal in de zonneatmosfeer, maar omdat die continu in beweging is, kunnen de veldlijnen in de knoop raken. Daarbij bouwt zich energie op, tot de veldlijnen zich herschikken en de energie plotsklaps vrijkomt.

Artist’s concept van magnetar SGR 1806-20 met zijn magnetische veldlijnen. Terwijl de magnetar rond zijn as tolt, ondervinden de veldlijnen weerstand – ze raken energie kwijt door radiostraling uit te zenden. De remkracht werkt ook op de ster zelf. Als er teveel kracht op de korst werkt kan die barsten. Daarbij klappen de veldlijnen naar een energetisch voordeligere toestand en zenden ze een enorme hoeveelheid gammastraling uit. bron: NASA

NASA-animatie van de uitbarstende magnetar (3364 Kb, MPEG)

“Op een magnetar zit het veel sterkere magneetveld óók vast aan de ster, iets sterker aan de korst dan aan de kern.” Bewegende veldlijnen zenden elektromagnetische straling uit; bij een magnetar is dat niet anders. Terwijl de ster rondtolt raakt het magneetveld energie kwijt als radiostraling. Die energie moet ergens vandaan komen en wel uit de beweging van de ster. Het voelt alsof de veldlijnen door stroop bewegen en ze willen dan ook afremmen. Door dat remmende effect komt er steeds meer kracht op de ‘aansluitpunten’ van de veldlijnen te staan.

“De magneetvelden trekken harder aan de korst van de magnetar dan aan de kern en op een gegeven moment barst de zaak”, aldus Wijers. Magnetische veldlijnen komen los, herschikken zich en schokgolven trekken door de magnetar. Als de veldlijnen losklappen veroorzaken ze een intense flits gammastraling die een tiende seconde aanhoudt. Daarna volgen een paar honderd seconden met minder intense straling. “In het tweede deel van de uitbarsting zien we een schommeling van het signaal. De meeste straling komt vrij bij de magnetische polen van de magnetar, en die bewegen door de draaiing van de ster ritmisch naar ons toe en van ons af.”

Integral nam de gammauitbarsting van SGR 1806-20 waar; hier is het aantal getelde gamma-fotonen weergegeven. Op t = 600 s vindt de hoofdontlading plaats. Daarna gloeit de magnetar nog honderden secondes na. Er worden in die periode minder gamma-fotonen uitgezonden, die per stuk ook minder energie dragen dan de fotonen in de hoofdpiek. De periodieke wisseling in het signaal na de hoofdontlading worden veroorzaakt door de rotatie van de neutronenster om zijn as. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Bij de uitbarsting van 27 december kwam honderd keer zoveel energie vrij als magnetars eerder bij een superuitbarsting hadden opgeleverd. Bij uitbarstingen in 1979 en 1998 kwam telkens rond de 1037 Joule vrij. SGR 1806-20 bereikte een energie van 1039 Joule. Wijers: “We waren erg verrast door deze krachtige uitbarsting. Waarschijnlijk zaten die twee eerste uitbarstingen ergens aan de onderkant van het spectrum voor dit type uitbarstingen en deze flits er bovenin. Als we in de toekomst meer grote uitbarstingen van gammaknipperaars waarnemen, verwacht ik dat ze allerlei energieën tussen die uitersten in bestrijken.”

Bekende en kandidaat-gammaknipperaars in onze melkweg. SGR staat voor soft gamma-ray repeater: een bekende gammaknipperaar dus. AXP staat voor anomalous X-ray pulsar; afwijkende röntgenpulsar dus. Een pulsar is een rondtollende neutronenster die langs zijn magnetisch as twee bundels straling uitzendt. Als de aarde in zo’n bundel ligt, zien astronomen de pulsar als een knipperende puntbron. Astronomen vermoeden dat er een verband bestaat tussen SGRs en AXPs. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Zeldzaam geluk

Met de waarneming van SGR 1806-20 was een flinke dosis geluk gemoeid. Niet alleen was de satelliet net een maand operationeel, reuzenuitbarstingen van gammaknipperaars zijn ook nog eens zeldzaam. Wijers rekent voor: “Er zijn naar schatting zo’n tien gammaknipperaars in de melkweg. Elk van die magnetars kan maar een paar keer in zijn bestaan een superuitbarsting als die van 27 december opwekken: één keer per 1000 jaar, tot de energie op is. Die komt direct uit het magneetveld, dat bij elke uitbarsting met ongeveer 10% afneemt. Naar schatting kunnen we één super-SGR-uitbarsting per eeuw verwachten.” Sterrenkundigen meten nog maar dertig jaar aan gammabronnen, dus het is een flinke meevaller dat Swift deze bron oppikte.

Swift is niet de eerste of enige satelliet die naar gammabronnen speurt. Collega Integral nam de uitbarsting van december ook waar, en tot in 2002 was de Nederlands-Italiaanse satelliet BeppoSAX actief. In de loop der jaren zijn steeds betere satellieten ontwikkeld om snel gammaflitsen te kunnen registreren. Dat was nodig om grondstations snel op de bron te kunnen richten.

Ook de Very Large Array in New Mexico hielp mee met de waarneming van magnetar SGR 1806-20. De radiotelescopen van dit radio-observatorium zijn verrijdbaar; hoe verder ze van elkaar staan, hoe scherper het beeld dat ze opleverden. De VLA stond tijdens de waarnemingen aan de nagloeiende magnetar in configuratie A, met de schotels zo ver mogelijk uit elkaar.

In gamma’licht’ is het moeilijk de precieze plek van een gammaflitser aan de hemel te vinden, en ze duren kort: tussen de duizendste en duizend seconden. Een gammaflits is gelukkig nooit alleen. De bron gloeit na de eigenlijke gammaflits nog even na in andere delen van het elektromagnetische spectrum. Om met zekerheid te zeggen hoe gammaflitsen worden veroorzaakt, was het zaak de bron niet alleen met gamma-ogen te bekijken, maar ook met een röntgen, ultraviolette, normale en radiobril op. Dan kan het voorwerp dat de flits veroorzaakte worden geïdentificeerd.

Ontploffende reuzenster, versmeltende zwarte gaten, woedende magnetar? Alleen door snel reageren weet je dat zeker. Swift reageert zó snel, dat hij binnen een minuut op een gammaflitser gericht staat en automatisch een waarschuwing doorgeeft aan astronomen op de grond. Die gaan dan als bezetenen aan de slag om de nagloeiende flits vast te leggen.

Het golffront van de gammaflits nadert de aarde. In de grotere versie (klik op de afbeelding) is ook te zien hoe de gammastraling grotendeels wordt geabsorbeerd door de atmosfeer (midden) en even een moment van ruis in de ionosfeer veroorzaakt (rechts). bron: NASA

NASA-animatie van het golffront dat over de aarde spoelt (1916 Kb, MPEG)

Ionosfeer

De uitbarstende magnetar mag dan de Swift-satelliet tijdelijk sterretjes hebben laten zien, gevaarlijk is hij nooit geweest. “Per vierkante centimeter leverde de gammaflits nog geen miljoenste Joule af”, relativeert Wijers. Een magnetron op vol vermogen levert 800 J/s, een kleine gloeilamp 40. “Astronauten in het ISS hebben hun thee geen graad warmer zien worden”, zegt de hoogleraar: “er was geen gezondheidsgevaar voor hen of wie dan ook op aarde.”

Wél verstoorde de gammaflits de zogenaamde ionosfeer. Dat is een elektrisch geladen laag in de atmosfeer, die veel wordt gebruikt door radioamateurs. Hun HF-signalen kunnen namelijk van de ionosfeer afkaatsen en zo verder reiken dan de horizon. De gammaflits was merkbaar als een ruisperiode van nog geen twee minuten: ionospheric disturbance in vaktermen.

Waarneming van de ionosferische verstoring door SGR 1806-20. De plotselinge daling in de signaalsterkte komt doordat de gammafotonen de geïoniseerde laag van de atmosfeer doet dalen. Hoogfrequent radioverkeer maakt gebruik van de ionosfeer om ‘over de horizon’ te kunnen kaatsen. Hoe lager de ionosfeer, hoe meer er gekaatste moet worden om bij de ontvanger te komen. Daarbij gaat steeds meer energie verloren. bron: Mc WilliamKlik op de afbeelding voor een grotere versie en een versie van Mandaville.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 18 februari 2005

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.