Een gloed aan de hemel

Het heelal is doordrenkt met röntgenstraling. Maar het waarnemen van deze straling werd pas mogelijk na de komst van raketten en kunstmanen: de ionosfeer, het bovenste deel van de dampkring, houdt alle röntgenstraling tegen.

Op het eerste gezicht lijkt het vreemd dat straling die wel door de mens dringt, en door hout en metaal, door lucht wordt tegengehouden. De oorzaak ligt in de dikte van de luchtlaag rond de aarde. Vergeleken met de moleculen en atomen in een vaste stof is de afstand tussen luchtmoleculen groot. Maar omdat de dampkring zo uitgestrekt is, komt elk röntgenfoton uit het heelal op een bepaald moment toch een luchtmolecuul tegen en wordt geabsorbeerd. Deze absorptie houdt tegelijk de ionosfeer in stand.

Het belangijkste kenmerk van röntgenstraling is de hoge energie van de fotonen waaruit hij bestaat. Dit wijst op hoog-energetische processen op de plaats van herkomst. Röntgenstraling hangt samen met zeer hoge temperaturen (zeer hete plasma's) en met snelle elektronen die sterk worden afgeremd of van richting veranderen. Vaak zijn er supersterke magnetische velden of gravitatievelden in het spel. Dit alles maakt röntgenastronomie interessant voor fysici: die kunnen in het heelal verschijnselen bestuderen die in laboratoria op aarde nooit kunnen worden nagebootst.

In 1948 werd met behulp van een raket voor het eerst de röntgenstraling van de zon gemeten. Die is afkomstig van de ijle maar zeer hete atmosfeer (corona) rond de zon, en van de nog veel hetere zonnevlammen. De röntgenenergie van de zon was echter relatief zo gering - nog geen tienduizendste van de totale energie van de zon - dat men niet verwachtte ooit röntgenstraling van 'echte' sterren te zullen opvangen. Het was dan ook een grote verrassing toen in 1962 in het sterrenbeeld Schorpioen zo'n röntgenster werd ontdekt.

In de jaren zestig volgden na raket-experimenten meer exemplaren. Maar de röntgensterrenkunde kwam pas goed tot ontwikkeling toen in 1970 de eerste satelliet voor röntgenwaarnemingen werd gelanceerd. Uhuru graasde de totale hemel af en ontdekte honderden röntgenbronnen. Andere satellieten spoorden nog meer bronnen op, of bestudeerden de al bekende zo nauwkeurig mogelijk.

De meest uitgebreide en gedetailleerde kaart van de röntgenhemel werd gemaakt door de in 1990 gelanceerde Duitse röntgensatelliet Rosat. Die kon vele malen scherper kijken dan zijn voorgangers zodat het aantal bronnen opeens toenam van 6000 tot meer dan 120 000. De resultaten van Rosat stonden centraal op de vijfdaagse conferentie Röntgenstrahlung from the Universe die twee weken geleden in Würzburg werd gehouden.

Mede dankzij Rosat weten we dat vrijwel alle 'gewone' sterren röntgenbronnen zijn. Hun röntgenstraling is, net als bij de zon, afkomstig van hun hete atmosfeer. Veel sterkere röntgenbronnen zijn de vele dubbelsterren waarvan één component een neutronenster of zwart gat is: het geïmplodeerde, uiterst compacte eindprodukt van een zware ster. Deze röntgenbronnen kunnen zelfs worden waargenomen in naburige sterrenstelsels. Bij deze objecten valt materie van een begeleider in het zeer sterke gravitatieveld van het compacte object en wordt hierbij zo sterk versneld en verhit (tot meer dan 10 miljoen graden), dat het röntgenstraling uitzendt. Op deze manier wordt massa met een rendement van enkele tientallen procenten omgezet in straling. Bij kernfusie is dit slechts 0,5 procent.

Bij sommige röntgenbronnen is de straling gepulst als gevolg van de rotatie van het compacte object. Andere röntgenbronnen vertonen periodiek een opvlamming en ook zijn er röntgenbronnen die uit het niets tevoorschijn lijken te komen en na een tijdje weer verdwijnen. In dit opzicht is de hemel op röntgengolflengten veel veranderlijker dan in zichtbaar licht. Al deze veranderingen kunnen belangrijke informatie opleveren over de eigenschappen en ontwikkeling van deze sterren. Vele röntgenbronnen hebben een zekere uitgebreidheid, soms bestrijken ze een gebied van wel enkele graden aan de hemel. Deze bronnen hangen samen met 'supernovaresten': de buitenlagen van geëxplodeerde sterren. De röntgenstraling ontstaat hier door de schokgolven van de explosie in het gas in de ruimte en/of door de snelle elektronen die door het achtergebleven restant van de ster worden uitgezonden. Ook andere gebieden met heet plasma in het melkwegstelsel zijn krachtige bronnen van röntgenstraling.

Extragalactisch

De grotere gevoeligheid van Rosat weerspiegelt zich niet alleen in de aantallen röntgenbronnen maar ook in hun afstanden. Meer dan de helft van de door Rosat waargenomen bronnen zijn extragalactische objecten: sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en quasars. Op die kosmische verten lag het zwaartepunt van de conferentie in Würzburg, slechts twee van de ruim honderd voordrachten ging over de meest nabije en eerst ontdekte röntgenbron: de zon.

Sommige sterrenstelsels hebben een zeer heldere kern die grote hoeveelheden röntgenstraling uitzendt. Vele astronomen denken dat zich in die kern een enorm zwart gat bevindt dat het gas van uiteengerukte sterren opslokt en voor een deel omzet in straling. Het is echter verre van eenvoudig om de aanwezigheid van zo'n zwart gat ondubbelzinnig aan te tonen. Onlangs zou een groep astronomen via metingen met de Japans-Amerikaanse röntgensatelliet ASCA sterke aanwijzingen hebben gevonden voor een superzwaar zwart gat in zo'n 'actief' sterrenstelsel (Nature 375, p. 659).

De meest omvangrijke gebieden met röntgenstraling zijn de clusters van (soms vele duizenden) sterrenstelsels. De straling komt hier echter niet van de stelsels zelf maar van het zeer hete, ijle gas in de ruimte tussen de stelsels. Onderzoek aan dit clustergas is erg actueel in de röntgensterrenkunde omdat de temperatuur van het gas wel eens belangrijke informatie zou kunnen geven over de leeftijd van de cluster, ofwel van zijn evolutiestadium. Recente Rosat-waarnemingen lijken er op te wijzen dat de ontwikkeling van clusters een snel verlopend proces is geweest (Nature 377, p. 13).

Rosat-waarnemingen hebben ook het definitieve antwoord gegeven op de vraag wat de herkomst is van de röntgenstraling die overblijft als men alle bekende bronnen in het heelal in rekening heeft gebracht. Het blijkt dat die diffuse achtergrondstraling, die al dertig jaar geleden werd ontdekt, afkomstig is van quasars: de verste objecten in het heelal. Ook in die objecten, die nu als vroege stadia van sterrenstelsels worden beschouwd, worden grote hoeveelheden röntgenstraling geproduceerd en misschien zitten er superzware zwarte gaten in.

De röntgensterrenkunde is, net als bijvoorbeeld de radio- en infraroodsterrenkunde, uitgegroeid tot een volwaardige tak van de astronomie met dezelfde behoefte aan steeds grotere en gevoeliger telescopen. In de Verenigde Staten wordt nu gewerkt aan de AXAF (Advanced X-ray Astrophysics Facility) en in Europa aan de XMM (X-ray Multi Mirror), te lanceren rond het jaar 2000. Ook Nederland draagt zijn steentje bij. Tezamen met Italiaanse wetenschappers wordt de SAX (het Italiaanse acroniem voor X-Ray Astronomy Satellite) gebouwd, die in april 1996 wordt gelanceerd.

    • George Beekman