Uitdovende vuurbal

De sluier rond de gammaflitsen uit het heelal is aan het verdwijnen. Twee jaar geleden kon, na dertig jaar onzekerheid, worden vastgesteld dat deze flitsen uit verre sterrenstelsels komen en samenhangen met de meest energetische processen die we in het heelal kennen. En nu is ontdekt dat op zijn minst een deel van deze gammaflitsen samenhangt met de dood van zeer zware sterren waarvan de kern tijdens een onstuitbare instorting een zwart gat wordt. Voldoende stof voor discussie tijdens het vijfde symposium over gammaflitsers dat van 18 tot 22 oktober in Huntsville (VS) wordt gehouden.

Kosmische gammaflitsen zijn hevige stoten gammastraling die seconden tot minuten duren en een paar honderd keer per jaar, vanuit satellieten, op willekeurige tijdstippen en in willekeurige punten aan de hemel worden waargenomen. In de afgelopen twee jaar hebben astronomen al vele malen, vooral dank zij de oplettendheid van de Italiaans-Nederlandse satelliet BeppoSAX, op de positie van zo'n flits het `nagloeien' in zichtbaar licht of andere golflengten kunnen waarnemen. Vaak blijkt dit nagloeien plaats te vinden in een sterrenstelsel dat op vele miljarden lichtjaren van ons vandaan staat.

Deze enorme afstanden impliceren dat de gammaflitsen het gevolg zijn van het vrijkomen van onvoorstelbaar grote hoeveelheden energie. Astronomen hebben berekend dat voor het produceren van de gammaflits van 23 januari jongstleden één zonsmassa aan materie in enkele seconden in energie moet zijn omgezet. Met gewone energieproducerende processen, zoals kernfusie, lukt dat niet. Daarom denken astronomen aan het vrijkomen van gravitatie-energie bij het ontstaan van zwarte gaten, bijvoorbeeld tijdens het samensmelten van twee neutronensterren of het instorten van de centrale delen van een zeer zware ster.

Door de enorme afstand van de bron van een gammaflits is het moeilijk te achterhalen wat zich daar nu precies afspeelt. Meestal leek de helderheid van het nagloeiende lichtpunt exponentieel af te nemen en dat bleek goed te rijmen met het model van een zogeheten `relativistische vuurbal'. Volgens dit model raast een bijna met de lichtsnelheid expanderende schokgolf, veroorzaakt door een explosie, door de interstellaire ruimte en worden de daarin aanwezige elektronen zo sterk versneld dat zij synchrotronstraling gaan uitzenden. Maar wat explodeerde er dan?

Bovendien zijn de waarnemingen van de Amerikaanse astronoom Joshua Bloom in tegenspraak met het vuurbalmodel. In Nature van 30 september laat hij zien dat de helderheid van de vuurbal van 26 maart 1998 aanvankelijk exponentieel afnam, maar na een maand afvlakte. Eerst werd gedacht dat dit een gevolg was van het feit dat men in steeds sterkere mate de lichtbijdrage van het desbetreffende sterrenstelsel ging meten. Bloom en zijn collega's ontdekten echter dat er helemaal geen stelsel was te zien. Tenminste, het was veel te zwak om te kunnen worden waargenomen.

OPVLAMMING

De latere waarnemingen laten zien dat de helderheid van het nagloeiende object 3 tot 4 weken na de flits zelfs weer tijdelijk toenam, tot 60 maal de intensiteit die de uitdovende vuurbal toen zou moeten hebben. Zoiets was nog nooit eerder gezien.

De onderzoekers hebben verschillende mogelijke oorzaken voor deze tijdelijke helderheidstoename bestudeerd, maar geen enkele van die verklaringen blijkt te voldoen. Ze denken nu dat de tijdelijke helderheidstoename niet samenhing met de uitdijende vuurbal, maar met de opvlamming van een supernova binnen de doorzichtig wordende vuurbal. Deze supernova, de explosie van een zware, opgebrande ster, zou weliswaar met het ontstaan van de gammaflits samenhangen, maar een veel langer durend proces zijn. De gemeten lichtkromme zou daardoor uit twee componenten bestaan: die van de snel uitdovende vuurbal en die van de veel langzamer opvlammende en dan weer uitdovende supernova. Het `naijlen' van de supernova valt goed te rijmen met de ongeveer drie weken die bekende supernova's nodig hebben om na het begin van hun explosie hun maximale helderheid te bereiken.

De Nederlandse astronoom Titus Galama en zijn collega's ontdekten overigens al kort na de allereerste flits waarvan het nagloeien werd waargenomen, die van 28 februari 1997, dat het tempo van uitdoven een week na de explosie vertraagde. Nieuw (maar nog niet gepubliceerd) onderzoek laat zien dat de uitdoving pas twee maanden na de flits weer het verwachte verloop kreeg. Volgens de onderzoekers kan de tijdelijke `stagnatie' goed worden verklaard met behulp van het veel langzamer opvlammen van een supernova binnen de schokgolf. Tot dezelfde conclusie komt nu ook de Amerikaanse astronoom Daniel Reichart, die het uitdoven van de flits van 28 februari 1997 eveneens naar aanleiding van latere waarnemingen opnieuw heeft bestudeerd (Astrophysical Journal Letters, 20 augustus).

De gammaflitsen van 28 februari 1997 en 26 maart 1998 duurden ongeveer vijf seconden, wat voor dit verschijnsel betrekkelijk lang is. Volgens de astronomen ligt het nu voor de hand te veronderstellen dat ook andere relatief langdurende gammaflitsen met supernova's samenhangen. Het zou hierbij echter niet gaan om gewone supernova's, waarvan de ijzerkern na het stoppen van alle kernfusiereacties instort tot een neutronenster, maar om extreem zware sterren waarvan de kern instort tot een zwart gat met een massa van enkele malen die van de zon.

Dit proces van onstuitbare instorting is inmiddels door theoretici uitvoerig bestudeerd en blijkt nu ook tot de opwekking van gammastraling te leiden. Die ontstaat echter alleen in de richting van de rotatie-as van de ster, c.q. het zwarte gat, zodat wij alleen een gammaflits zien wanneer zo'n bundel toevallig naar de aarde is gericht. Het ontstaan van het zwarte gat gaat dan gepaard met een schokgolf die zich met bijna de lichtsnelheid door de interstellaire ruimte voortplant (het `nagloeien' van de flits) en vervolgens met de veel tragere explosie van de overige delen van de ster (de supernova).

De Amerikaanse astronomen Andrew MacFadyen en Stanford Woosley presenteren binnenkort in de Astrophysical Journal ``veel gedetailleerder dan in eerder werk'' resultaten van de met behulp van hydrodynamische modellen gesimuleerde processen tijdens de instorting van de kern van extreem zware sterren. Volgens hen kunnen zulke collapsars, al naar gelang de eigenschappen van de ster en de richting van zijn rotatie-as, een grote verscheidenheid aan gammaflitsen voortbrengen. De astronomen voorspellen dat, hoewel slechts een klein deel van supernova's samengaat met een gammaflits, bij alle gammaflitsen die langer dan een paar seconden duren een supernova zal verschijnen.

supernova

MacFadyen en Woosley menen dat ook de gammaflits van 25 april vorig jaar volgens dit proces zou kunnen zijn ontstaan. Dat is interessant omdat Titus Galama en Paul Vreeswijk toen op de positie van die flits een supernova ontdekten die was opgevlamd in een sterrenstelsel op een afstand van `slechts' 140 miljoen lichtjaar van de aarde. Als de twee verschijnselen inderdaad met elkaar samenhingen, zou dit betekenen dat de intensiteit van de gammaflits zo'n vier orden van grootte kleiner was geweest dan die van een gemiddelde kosmische gammaflits.

Galama en Vreeswijk meenden dat het uiterst onwaarschijnlijk was dat het om twee losstaande verschijnselen ging die toevallig in dezelfde richting werden gezien, maar andere astronomen hielden een slag om de arm. In het licht van het collapsarmodel en de ontdekkingen bij twee andere gammaflitsen zou de geringe intensiteit van de gammaflits nu gemakkelijk kunnen worden verklaard: de bundel gammastraling was veel minder in onze richting geconcentreerd. En dat zou volgens McFadyen en Woosley impliceren ``dat er nog vele andere gammaflitsen van dit (zwakke) type zijn die onopgemerkt zijn gebleven''.