Gammaflitsen van neutronenster lijken op aardbevingen; Aardse pulsen in het heelal

Overeenkomsten tussen gammastralen afkoms- tig van neutronen- sterren en aardbevingen suggereren eenzelfde fysische ontstaanswijze.

Astronomen hebben overeenkomsten ontdekt tussen de stoten 'zachte' (kortgolvige) gammastraling die afkomstig zijn van een neutronenster en aardbevingen die zich op de aarde voordoen. Dat is opmerkelijk, omdat deze twee hemellichamen op het eerste gezicht niets met elkaar gemeen hebben. De aarde is een grote, langzaam wentelende bol van gesteenten, terwijl een neutronenster een veel kleinere, compactere bal van overwegend supervloeibare neutronen is. Hoe kunnen zulke uiteenlopende werelden iets gemeen hebben?

Een neutronenster bestaat uit de centrale delen van een grote, massarijke ster die aan het einde van zijn leven onstabiel is geworden doordat de kernfusiereacties in het centrum zijn gestopt: alle kernbrandstof is verbruikt. Door het wegvallen van de thermische druk stort de kern van deze ster - een gas van elektronen en ijzerkernen - onder invloed van zijn eigen zwaartekracht razendsnel in tot een bol met een diameter van slechts 20 tot 30 kilometer. Mede als gevolg van deze implosie (gravitatiecollaps) ontstaat een schokgolf die de rest van de ster de ruimte in blaast.

In het sterretje is een hoeveelheid massa samengepakt die ongeveer even groot is als die van de zon. Bovendien draait het object, als gevolg van de wet van behoud van draaimoment, zeer snel om zijn as: vele (tientallen) malen per seconde. Het sterretje heeft een extreem sterk gravitatieveld, waardoor zijn materie zo sterk is samengeperst dat hij is overgegaan in een soort 'neutronenjam'.

INWENDIGE

De rotatie van een neutronenster blijkt in de loop der tijd af te nemen, doordat het sterretje door elektromagnetische wisselwerking met zijn omgeving langzaam wordt afgeremd. Af en toe kan de rotatie echter ook plotsklaps toenemen, om dan geleidelijk naar het oude tempo terug te keren. Dit gedrag, dat nu bij ten minste twintig neutronensterren is waargenomen, levert belangrijke informatie over het inwendige van neutronensterren. Het meest grillige gedrag wordt vertoond door de Velapulsar (een ster in het zuidelijke sterrenbeeld Vela), die constant bezig is zich te herstellen van de plotseling optredende 'hikken' (Nature, 6 juni).

Astronomen hebben berekend dat een neutronenster een gelaagde structuur moet hebben, net zoals het inwendige van de aarde. De buitenste laag bestaat uit een korst of kristal van voornamelijk ijzerkernen, waarin 'gedegenereerde' elektronen vrij kunnen bewegen (vergelijkbaar met de toestand in een metaal). De plotselinge versnelling van de rotatie, die binnen twee minuten kan plaatsvinden, wordt toegeschreven aan een soort bevingen in de korst van de neutronenster. De korst, die een dichtheid heeft van ongeveer 10 maal die van de aardkorst, wordt geleidelijk afgeremd, terwijl de supervloeibare mantel er onder in hetzelfde tempo doordraait. Soms ontstaat echter een tijdelijke koppeling tussen mantel en korst, waardoor de korst door de iets sneller draaiende mantel wordt meegesleurd. Zo'n 'sterbeving' zal vooral optreden in het gebied van de evenaar, omdat daar de spanningen het grootst zijn.

Mag deze 'tektonische' activiteit in de korst een neutronenster al een héél klein beetje op de aarde doen lijken, ook de bevingen zelf blijken op beide soorten hemellichamen iets gemeen te hebben. Dat hebben onderzoekers van het Los Alamos National Laboratory in New Mexico nu afgeleid via het verschijnsel van de Soft Gamma-ray Repeaters (SGR's): bronnen in het heelal die met onregelmatige tussenpozen een flinke stoot 'zachte' (relatief langgolvige) gammastraling uitzenden. Zulke stoten worden al vele jaren met behulp van instrumenten aan boord van satellieten geregistreerd, maar de oorzaak ervan is nog niet duidelijk. Sommige astronomen denken dat ook deze stoten gammastraling het gevolg zijn van 'bevingen' in de korst van neutronensterren. Om aanwijzingen hiervoor te vinden hebben Los Alamos-onderzoekers gezocht naar statistische overeenkomsten tussen de 111 gammaflitsen van de bekende bron SGR1806-20 en bevingen in drie goed bestudeerde seismische gebieden op aarde: een tektonisch actief gebied in het zuiden van Californië, een vulkanisch gebied in het Yellowstone Park en een gemengd tektonisch-vulkanisch gebied in Utah.

Zoals de onderzoekers in Nature van 8 augustus opmerken, blijken de aardbevingen en gammaflitsen “duidelijk vier statistische eigenschappen met elkaar gemeen te hebben”. Het verband tussen de energie van een gammaflits en het aantal flitsen van die energie blijkt vrijwel gelijk te zijn aan het verband tussen de energie van een aardbeving en het aantal bevingen van die energie (de Gutenberg-Richter-wet). Ook de verdeling van de 'rustperioden' tussen opeenvolgende aardbevingen lijkt op die van de gammaflitsen. Verder vinden de onderzoekers sterke positieve correlaties bij de rustperioden tussen opeenvolgende flitsen, maar géén correlaties tussen intensiteiten en rustperioden, net zoals bij bevingen op aarde het geval is.

GAMMAFLITS

“De statistische overeenkomsten tussen aardbevingen en kosmische flitsen van zachte gammastraling suggereren een fysisch gelijksoortige ontstaanswijze”, aldus de onderzoekers. Deze conclusie wordt nog versterkt door het feit dat de hoeveelheid energie die tijdens een beving op een neutronenster vrijkomt ruimschoots toereikend is voor de energie van een gammaflits. De hoeveelheid deformatie-energie in de korst van een neutronenster kan volgens de berekeningen oplopen tot ongeveer 10joule, terwijl de energie van een gammaflits meestal 10 joule of minder bedraagt. Bij de zwaarste bevingen op aarde (magnitude 9) komt hooguit 10 joule vrij.

Het is nog niet duidelijk langs welke weg een beving op een neutronenster tot een stoot gammastraling zou kunnen leiden. Een van de suggesties is dat deze gammastraling samenhangt met de magnetische energie die tijdens een beving uit het inwendige van de neutronenster ontsnapt. Er zijn namelijk aanwijzingen dat in neutronensterren enorme hoeveelheden magnetische energie liggen opgeslagen, geconcentreerd in 'fluxbuizen' met een sterkte van ongeveer 10 gauss (aan het aardoppervlak: 0,5 G). Dit is ruimschoots voldoende voor het produceren van de waargenomen stoten gammastraling.