Een tweede Big Bang

De gammaflits van afgelopen 23 januari is na de Big Bang de grootste explosie die ooit in het heelal is opgemerkt. Door alert reageren hebben astronomen hem `live' waargenomen.

IN DE MORGEN van 23 januari 1999, 9.47 uur Nederlandse tijd, gloeide aan de hemel een lichtpuntje op, te zwak voor het blote oog maar zichtbaar met behulp van een simpele verrekijker. Deze nietigheid was schijn, veroorzaakt door de geweldige afstand die het licht had afgelegd. Achter het lichtflitsje, dat nog geen twee minuten duurde, ging een ongekende uitbarsting van energie schuil, diep in het heelal. Astronomen, zo bleek achteraf, waren live getuige geweest van de krachtigste explosie sinds de Big Bang. Hun eerste bevindingen zijn neergelegd in zes artikelen die deze week en volgende week in Science en Nature verschijnen.

De explosie van januari betrof een kosmische gammaflits (gamma ray burst), naar zijn datum GRB990123 gedoopt. Gammaflitsen zijn uitbarstingen van hoogenergetische gammastraling die enkele tientallen seconden duren, en dan nog geruime tijd nagloeien in de overige delen van het elektromagnetische spectrum, van röntgenstraling via zichtbaar licht tot radiogolven. Sinds hun ontdekking in 1967 zijn ze met mysteries omgeven. Wel wist een Amsterdamse groep astronomen onder leiding van Jan van Paradijs twee jaar geleden als eerste een gammaflits te identificeren met een zwakke, uitdovende lichtbron op miljarden lichtjaren afstand. Sindsdien is ook in andere gevallen met optische en radiotelescopen een vergelijkbaar nagloeien waargenomen, steeds op grote diepte in het heelal.

Het bijzondere van GRB990123 is dat astronomen er voor het eerst als de kippen bij waren. Doordat gammastraling niet door de aardse dampkring dringt, verloopt de waarneming in eerste instantie per satelliet. In dit geval was dat de Compton Gamma Ray Observatory van de NASA, die de januariflits onderschepte, zijn ruwe positie (marge: 5 graden) aan de hemel vaststelde en deze pijlsnel via het Internet verspreidde. Zodoende kon in Los Alamos het Robotic Optical Transient Search Experiment (ROTSE, een elektronische camera die speciaal is ontworpen om binnen enkele seconden elk gewenst gebied van de hemel te kunnen fotograferen) al 22 seconden na het begin van de flits zijn eerste opname maken. Eigenlijk had dit binnen 6 seconden gemoeten, maar als gevolg van een softwarefout werd de informatie aanvankelijk niet naar de harde schijf weggeschreven.

NAGLOEIEN

Ook de Italiaans-Nederlandse BeppoSAX-satelliet zag de flits. Zijn instrumenten leverden een veel nauwkeuriger positie op, zij het pas na 3,8 uur. Niettemin was de krachtige telescoop op Mt. Palomar in Californië nog net op tijd om het nagloeien in zichtbaar licht waar te nemen. Ook andere telescopen, waaronder Keck op Hawaii, maakten opnames. Analyses van het lichtspectrum wezen uit dat GRB990123 zo'n 9 miljard lichtjaar diep in het heelal afging. Opnamen met de Hubble-ruimtetelescoop, gemaakt op 8 en 9 februari, lokaliseerden de gammaflits vervolgens aan de rand van een actief sterrenstelsel.

Niet eerder is het zichtbare licht van een gammaflitser opgemeten dat tegelijk met de flits werd geproduceerd: tot nu toe was alleen het nagloeien gezien. Dit eerste licht had op 22 seconden na de melding door de Compton-satelliet een helderheid van magnitude 11,7. Na 47 seconden, toen ROTSE zijn tweede opname maakte (belichtingstijd: 5 seconden), was deze opgelopen tot magnitude 8,9 (hoe lager het magnitudegetal, hoe feller de lichtbron straalt), waarna de helderheid weer afnam. Opvallend was dat de hoeveelheid vrijkomende energie in het zichtbare gebied groter was dan uit het terugextrapoleren van het nagloeien kon worden verwacht.

Titus Galama, behorend tot de groep van Jan van Paradijs en eerste auteur van een van de Nature-artikelen van volgende week, oppert op basis van de waarnemingen dat de initiële en nagloeiende gammaflits corresponderen met drie locaties in de vuurbal waarmee een gammaflits gepaard gaat. De vuurbaltheorie zegt dat na het afgaan van de flits er een schokgolf ontstaat die in buitenwaartse richting tegen het omringende interstellaire gas botst, wat tot nagloeien leidt, terwijl hij binnenwaarts zichtbaar licht opwekt. Over de oorzaak van de vuurbal zelf tasten astronomen nog in het duister. Geopperd zijn botsende neutronensterren, of hypernova's waarbij een zware ster totaal instort. In beide gevallen ontstaat een zwart gat en wordt een schil aan materie met bijna de lichtsnelheid weggeslingerd.

diametrale bundels

Een probleem vormt de totale energie die bij het afgaan van GRB990123 is vrijgekomen. Die blijkt 10.000 keer zo groot als de totale energie die de zon in zijn totale levensduur van 5 miljard jaar uitzendt, en dat terwijl de gammaflits nog geen twee minuten duurde. Om die kolossale hoeveelheid op te wekken zouden twee zonsmassa's in korte tijd volledig in energie moeten zijn omgezet – een scenario waar astronomen geen raad mee weten. Een oplossing voor dit raadsel zou kunnen zijn dat de straling niet gelijkmatig in alle richtingen is uitgezonden maar in diametrale bundels, waarvan er een toevallig op de aarde gericht stond.

De waarnemingen lijken die hypothese te steunen. Na twee dagen, zo blijkt uit zowel een artikel in Science als in Nature, zwakt het nagloeien opeens sneller af dan voorheen. Zo'n `knik' laat zich rijmen met een gerichte jet die na verloop van tijd afkoelt en zijwaarts uitdijt. Daar komt bij dat de straling van GRB990123 ongepolariseerd blijkt te zijn. Ook dat aspect wijst op gerichte bundels. Wanneer beaming in rekening wordt genomen, daalt de totale energie van de gammaflits met een factor 10 à 100. Wat dan resteert is nog altijd ongeevenaard veel, maar wel een getal waar theoretici mee uit de voeten kunnen.