Water wijst weg naar het hart van sterrenstelsels

Astronomen hebben in het centrum van een ver sterrenstelsel een extreem krachtige watermaser ontdekt. Dit is een gaswolk waarin waterdampmoleculen worden gestimuleerd tot het uitzenden van microgolfstraling. De helderheid van de nu ontdekte maser ondersteunt de recente theorie die de werking van deze kosmische microgolfversterkers verklaart. Waterdamp wordt nu heel belangrijk voor het gedetailleerd in kaart brengen van de mysterieuze kernen van sterrenstelsels en voor het bepalen van afstanden in het heelal.

Vele sterrenstelsels vertonen in hun kern een grote activiteit. Die manifesteert zich door hevige beroeringen of door bundels straling of materie die er uit worden weggeschoten. Sommige astronomen denken dat de energie voor deze activiteit wordt geleverd door een superzwaar zwart gat: een (onzichtbaar) gebied dat een enorme aantrekkingskracht uitoefent en aangezogen materie omzet in straling. Anderen gebruiken voorlopig liever vagere aanduidingen als 'de centrale motor'.

Ruim tien jaar geleden werd de theorie naar voren gebracht dat zulke centrale objecten zouden zijn omringd door een dikke schijf van moleculair gas en stof. Met behulp van zo'n schijf zouden de verschillende soorten activiteit in sterrenstelsels kunnen worden verklaard. Deze verschillen zouden mede worden veroorzaak door de hoek waaronder we tegen die schijf aankijken. Daardoor wordt de kern van een stelsel soms wel, soms deels en soms niet gezien en lijken er verschillen in activiteit te bestaan.

Deze 'unificatietheorie' kreeg aanvankelijk langs indirecte weg veel steun, maar weinig bevestiging vanuit de hoek van de waarnemingen. Daarin is in de afgelopen paar jaar belangrijke verandering gekomen. Met behulp van waarnemingen in het gebied van de microgolven zijn in het centrum van sterrenstelsels watermasers ontdekt, die op een golflengte van 1,3 cm een zeer sterke straling uitzenden. Deze waterbronnen maken het nu mogelijk om deze centra met voorheen ongekend detail te bestuderen.

'Maser' is het acroniem van 'microwave amplification by stimulated emission of radiaton': de versterking van microgolven door de gestimuleerde emissie van straling. Een maser werkt net zoals een laser, alleen gaat het bij laserstraling om (zichtbaar) licht en bij een maser om microgolven. Masers worden sinds de jaren zestig veel gebruikt als versterkers in microgolf-apparatuur, maar de natuur had het mechanisme al veel eerder uitgevonden.

Moleculen in het gas van ons melkwegstelsel zenden op bepaalde golflengten straling uit waarvan de intensiteit wordt bepaald door de temperatuur. Soms worden echter veel sterkere emissielijnen gezien: de straling wordt dan versterkt door maserwerking. Van de bijna honderd moleculen die nu in het heelal zijn ontdekt, vertoont een tiental het masereffect. Masers bevinden zich in de dichte wolken gas en stof waarin sterren ontstaan, of in de gasschillen die sterren aan het einde van hun leven de ruimte in blazen. De ster is de motor van het maserproces.

Spiraalvorm

In 1977 werden de eerste watermasers ontdekt in naburige strerrenstelsels. De masers zaten in de spiraalarmen van deze stelsels en hadden dezelfde eigenschappen als de masers in ons melkwegstelsel. Ze hingen dus ook samen met gebieden waarin sterren ontstaan of hun laatste adem uitblazen. Veel helderder waren echter de masers die werden ontdekt in de kern van sterrenstelsels. Deze waren honderden malen zo helder als de helderste maser in ons melkwegstelsel.

Al die megamasers bevinden zich in stelsels waarvan de kern tekenen vertoont van activiteit. Dat deed direct het vermoeden opkomen dat deze activiteit ook de energie voor het maserproces zou leveren. De Amerikaanse astronomen M.J. Clausen en K.Y. Lo suggereerden in 1986 dat de megamasers zouden kunnen ontstaan in schijfachtige structuren van gas rond de kern van zulke stelsels: dezelfde structuren dus die anderen hadden voorgesteld voor het verklaren van de verschillende soorten activiteit in sterrenstelsels.

Dank zij de techniek van de very long baseline interferometry (VLBI) hebben astronomen de watermasers steeds gedetailleerder kunnen bestuderen. Deze techniek is gebaseerd op het combineren van waarnemingen met radiotelescopen die heel ver (tot op verschillende continenten) van elkaar staan. Daardoor kan wel duizend maal zo scherp worden waargenomen als met behulp van optische telescopen. Zo werd duidelijk dat de waterbronnen heel klein zijn - meestal kleiner dan 10 lichtjaar - en vaak zijn opgebouwd uit nòg kleinere bronnetjes. Hun intensiteit kan op tijdschalen van maanden flink variëren.

De best bestudeerde megamaser is die in NGC 4258, een stelsel op een afstand van ongeveer 20 miljoen lichtjaar. Dit stelsel levert nu een stortvloed van publikaties op en leidt zo tot een belangrijke doorbraak in het onderzoek aan megamasers. De waarnemingen laten zien dat de watermaser in de kern van dit stelsel is samengesteld uit een centraal object, dat precies vóór de kern van het stelsel staat, en twee groepen zwakkere bronnetjes aan weerszijden hiervan. Die aan de ene kant bewegen van ons af en die aan de andere kant bewegen naar ons toe.

De meest voor de hand liggende verklaring is dat de masers deel uitmaken van een roterende schijf van gas en stof rond het centrum die vrijwel op zijn kant wordt gezien. De maserbronnen bevinden zich op afstanden tussen 0,35 en 0,75 lichtjaar van het centrum. De wolken die voor de kern langs schuiven worden zichtbaar doordat ze de straling uit dit centrum versterken. De wolken aan weerszijden hiervan worden zichtbaar doordat hun eigen straling in onze richting wordt versterkt.

De ring draait met een snelheid van 1000 km per seconde en maakt één omwenteling in 800 jaar. Dat is relatief zo snel, dat de centrale bronnetjes in korte tijd voor de kern langs zouden moeten schuiven, terwijl de bronnetjes aan weerszijden hiervan stil zouden moeten staan (omdat ze in de waarnemingsrichting bewegen). Deze effecten zijn inderdaad bij het stelsel NGC 4258 waargenomen en in december ook al bij een ander sterrenstelsel: NGC 2639 (Astron. Astrophys. 304, p. 21).

Centrale motor

De ontdekking van zulke schijven rond de kern van actieve sterrenstelsels levert een belangrijke steun voor bovengenoemde 'unificatietheorie'. Maar dank zij deze schijven kan nu ook de massa van het mysterieuze object in het centrum veel beter worden bepaald. Uit de straal en de rotatiesnelheid van de schijf in NGC 4258 heeft men afgeleid dat de centrale 'motor' een massa van ongeveer 20 miljoen zonsmassa's moet hebben. Deze massa is samengepakt in een gebied met een straal kleiner dan één vijftiende van de afstand van de zon tot de meest nabije ster. Dat maakt het heel waarschijnlijk dat zich hier een superzwaar zwart gat bevindt.

De kern van NGC 4258 is ook een bron van röntgenstraling. De Amerikaanse astronoom David A. Neufield en zijn collega's zijn nagegaan of de fysische en chemische omstandigheden in een schijf van gas en stof zodanig zijn, dat deze röntgenstraling tot de gestimuleerde emissie van microgolfstraling kan leiden. Zij berekenden daartoe het verloop van de temperatuur, dichtheid en hoeveelheid waterdamp in de schijf onder invloed van de constante verhitting (door röntgenstraling) en afkoeling (door de straling van verschillende soorten moleculen).

Sandwich-structuur

Uit hun berekeningen blijkt dat de röntgenstraling in de schijf een soort sandwich-structuur doet ontstaan. Een laag van wolken met waterdampmoleculen, die een temperatuur heeft van 300 tot 1000 K en waarin een relatief hoge druk heerst, wordt aan de boven- en onderkant afgeschermd door heter, atomair gas van lagere druk. Bij temperaturen boven 300 K kunnen door de reacties van zuurstof en hydroxyl met waterstof relatief hoge concentraties waterdampmoleculen ontstaan, die maserstraling op een golflengte van 1,3 produceren.

De intensiteit van de aldus berekende maserstraling blijkt goed overeen te komen met die welke in de praktijk wordt gemeten. De maserstraling kan overigens zeer sterk in één richting zijn gebundeld, waardoor de absolute helderheid van een waterbron vele malen kleiner kan zijn dan die van de helderste bron in ons melkwegstelsel. De variaties in de intensiteit van de maserbronnen kunnen worden verklaard met de 'klonterigheid' van het gas en de relatief snelle beweging van de wolken rond de kern (Astrophysical J. 447, L17).

De twee groepjes watermasers aan weerszijden van de kern van NGC4258 bestaan uit respectievelijk twee en vijf afzonderlijke bronnetjes op een rij. Opmerkelijke is dat de onderlinge afstanden tussen deze bronnetjes min of meer gelijk is. De Amerikaanse astronoom Eyal Moaz suggereerde eind december dat deze regelmaat kan worden verklaard als men aanneemt dat de schijf rond de kern een spiraalstructuur heeft: de bronnetjes zouden dan de opeenvolgende 'armen' markeren. Volgens deze theorie zou de schijf van gas en stof rond de kern een zeer sterk verkleinde versie zijn van de spiraalstructuur van het sterrenstelsel als geheel (Astrophysical Journal 455, L131)!

Neufield en zijn collega's zijn ook nagegaan welke invloed de massa en lichtsterkte van het centrale object zou kunnen hebben op de eigenschappen van de schijf. Zij vinden dat hoe groter de massa in het centrum is, des te groter de omringende schijf en des te groter ook de intensiteit van de hierin geproduceerde maserstraling. Midden vorig jaar voorspelden zij dat 'deze relaties het mogelijke bestaan suggereren van maserbronnen die nog veel helderder zijn dan die in NGC 4258'.

In december bleek zo'n super-maser ook te zijn gevonden.

Amerikaanse, Australische en Duitse astronomen hebben met de grote radiotelescoop te Effelsberg (in de Eiffel) een bijzonder krachtige watermaser ontdekt in een sterrenstelsel op een afstand van ongeveer 325 miljoen lichtjaar. Deze maser is - rekening houdend met zijn afstand - meer dan tienmaal zo helder als de tot dan toe helderste watermaser. 'Volgens de huidige maser-classificatie zou deze bron dus de eerst bekende water-gigamaser moeten worden genoemd', aldus de onderzoekers (Nature 378, p. 697).

Recordhouder

De nieuwe recordhouder ondersteunt de recente theorie dat de straling van megamasers het resultaat is van het 'oppompen' van moleculen in een schijf rond een compacte bron die (onder andere) röntgenstraling uitzendt. Het nieuwe object is wellicht de eerste van een hele klasse van zulke giga-watermasers. Het belang van deze objecten ligt niet alleen in het feit dat zij het mogelijk maken om nu ook de kern van verre sterrenstelsels heel gedetailleerd te bestuderen, maar wellicht ook in het meten van grote afstanden in het heelal.

Door de schijnbare diameter van de centrale schijf te vergelijken met de berekende, werkelijke diameter, wordt het mogelijk om langs zuiver geometrische weg afstanden van sterrenstelsels te bepalen: onafhankelijk van de indirecte methoden, die vaak tot uiteenlopende resultaten leiden. Zo zou misschien ook het tempo van de uitdijing - en dus ook de grootte en ouderdom - van het heelal beter kunnen worden bepaald: de beruchte en maar niet constant wordende Hubble-constante.

    • George Beekman