In één keer gezien: zwaartekrachtgolf én gammaflits

Het gaat razendsnel in het gloednieuwe wetenschapsgebied van de zwaartekrachtgolven. Nu is al samen met een zwaartekrachtgolf, de vijfde ooit gemeten, een gammaflits gezien. Zelfs het nagloeien is gemeten van de gigantische klap waarmee twee neutronensterren op elkaar botsten.

Tekening van het moment waarop twee neutronsterren elkaar raken en de explosie begint, waarbij zwaartekrachtgolven en grote hoeveelheden elektromagnetische straling ontstaan. Tekening University of Warwick/Mark Garlick

Tegelijkertijd met een detectie van zwaartekrachtgolven, op 17 augustus, is ook een gammaflits waargenomen. Voor het eerst is hiermee gelukt om de exacte herkomst van de gedetecteerde zwaartekrachtgolven te achterhalen en ook om de bijbehorende lichtverschijnselen waar te nemen. Allemaal veroorzaakt door de botsing van twee superzware neutronensterren, op 130 miljoen lichtjaar afstand - kosmisch gezien is dat vrij dichtbij. Twee totaal verschillende meetinstrumenten (telescopen en het gloednieuwe zwaartekrachtgolfmeettoestel LIGO) hebben zo hetzelfde verschijnsel waargenomen. Dit is maandagmiddag bekend gemaakt op een gezamenlijke persconferentie van een groot aantal verantwoordelijke onderzoeksinstellingen.

Kijk hier naar de live persconferentie van betrokken wetenschappers

Minuscule rimpelingen

Zwaartekrachtgolven zijn minuscule rimpelingen in het weefsel van ruimte en tijd die zich voortplanten als een golf. Ze ontstaan door heftige gebeurtenissen in het heelal, in dit geval door een botsing tussen twee neutronensterren – de uiterst compacte restanten van twee sterren die aan het einde van hun bestaan uit elkaar zijn gespat. De bekendmaking van de eerste geslaagde meting van zo’n ruimterimpeling baarde begin dit jaar veel opzien en de makers van het meetinstrument LIGO werd begin deze maand al beloond met de Nobelprijs voor Natuurkunde.

Lees ook over de Nobelprijs Natuurkunde 2017: Lang leve de zwaartekrachtgolven!

Maar bij zo’n botsing ontstaan niet alleen zwaartekrachtgolven, er komt ook veel ‘normale’ elektromagnetische straling vrij. Het gaat om een korte stoot gammastraling – de meest energierijke vorm van elektromagnetische straling – en het zichtbare en infrarode licht dat vrijkomt bij het verval van de sterk radioactieve zware elementen die bij de botsing worden geproduceerd en weggeblazen. Deze beide componenten worden respectievelijk ‘gammaflits’ en ‘kilonova’ genoemd.

Het eerste teken dat er op 17 augustus iets bijzonders was gebeurd in het heelal kwam van de Amerikaanse ruimtetelescoop Fermi, die gammaflitsen volledig automatisch rapporteert. Dat signaal werd bevestigd door de Europese gammasatelliet Integral. Kort daarna bleek dat de twee Amerikaanse LIGO-detectoren twee seconden vóór de gammaflits zwaartekrachtgolven hadden geregistreerd. Die laatste duurden veel langer dan bij de eerdere detecties van botsende zwarte gaten: ruim een minuut in plaats van een paar seconden. Dat leverde heel nauwkeurige informatie op over de twee neutronensterren die met elkaar zijn gebotst. Zo is onder meer vast komen te staan dat de twee op het moment dat hun zwaartekrachtgolven voor het eerst detecteerbaar waren nog maar 300 kilometer van elkaar verwijderd waren.

Belangrijk: Virgo zag niets!

Bij de Europese zwaartekrachtgolfdetector Virgo nabij de Italiaanse stad Pisa, waar het Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) bij betrokken is, werd overigens (vrijwel) niets geregistreerd. Toch leverde dat feit net het extra puzzelstukje op dat nodig was om te kunnen bepalen uit welke richting de zwaartekrachtgolven kwamen. „Want dat Virgo het signaal níét heeft gezien, betekent dat het uit een van de ‘blinde vlekken’ van de detector kwam,’ zegt Paul Groot van de Radboud Universiteit en projectleider van BlackGem, een nog in aanbouw zijnde verzameling telescopen die speciaal bedoeld is voor vervolgwaarnemingen van bronnen van zwaartekrachtgolven. „Dankzij die informatie kon het zoekgebied aan de hemel sterk worden ingeperkt. In combinatie met de afstand van 130 miljoen lichtjaar die uit de zwaartekrachtgolfdetectie kon worden afgeleid, bleef maar een korte lijst met mogelijke sterrenstelsels over.”

Video-uitleg: Wat zijn zwaartekrachtgolven?

Toen eenmaal duidelijk was waar de bron van de zwaartekrachtgolven gezocht moest worden, kwam – elf uur na de eerste detecties – een grote waarnemingscampagne op gang. Daaraan hebben zo’n zeventig onderzoeksteams van over de hele wereld meegedaan. Bij deze zoekactie zijn onder meer de Nederlandse LOFAR-radiotelescoop en diverse telescopen van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht in Chili (ESO) ingezet. Het was al snel raak: in het op twee na zwaarste stelsel op de lijst met ongeveer vijftig kandidaten, NGC 4993, werd een nieuwe lichtbron opgemerkt, die in de weken daarna zwakker zou worden.

Duizenden wetenschappers

Bij het onderzoek van zwaartekrachtgolf ‘GW170817’ waren dus naast de 1.200 wetenschappers van de LIGO-Virgo-samenwerking ook 2.400 astronomen betrokken. Hun bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in de vaktijdschriften Astrophysical Journal Letters, Nature, Nature Astronomy, Physical Review Letters en Science, met enorme lijsten van betrokken onderzoekers.

De analyses van de waarnemingen geven een tamelijk compleet beeld van wat zich, 130 miljoen jaar geleden, heeft afgespeeld in NGC 4993. Het begon met twee om elkaar draaiende neutronensterren. Deze objecten zijn maar ongeveer 20 kilometer groot, maar bevatten meer massa dan onze zon. Zulke om elkaar wentelende zwaargewichten produceren zwaartekrachtgolven, wat tot energieverlies leidt. Hierdoor spiralen de neutronensterren geleidelijk naar elkaar toe en botsen ze uiteindelijk op elkaar.

Grote flits

Bij die botsing wordt een deel van de massa van de neutronensterren omgezet in stralingsenergie, een ander deel verdwijnt in de vorm van zware elementen zoals lood, goud en platina de ruimte in. Dat laatste is nu voor het eerst echt aangetoond met waarnemingen van onder meer de Europese Very Large Telescope en de Hubble-ruimtetelescoop. Maar er blijft nog meer over. Bij de botsing is waarschijnlijk een zwart gat ontstaan”, zegt Peter Jonker van het Nederlands instituut voor ruimteonderzoek SRON en de Radboud Universiteit. „De totale massa van het object dat bij deze gebeurtenis is gevormd ligt namelijk tussen 2,75 en 3,3 maal de zonsmassa, en zwaarder dan 2,5 zonsmassa kan een neutronenster niet worden. Bovendien wijzen de waarnemingen erop dat het object dat uiteindelijk is ontstaan geen sterk magnetisch veld heeft, zoals we bij een eventueel gevormde zware neutronenster zouden verwachten.”

Dat betekent overigens niet dat de gebeurtenissen rond GW170817 nu al helemaal begrepen worden. De bijbehorende korte gammaflits was verreweg de meest nabije die ooit is waargenomen, maar de straling die ervan werd ontvangen is verrassend zwak.

Astronoom Ralph Wijers van de Universiteit van Amsterdam, die twintig jaar geleden betrokken was bij de ontraadseling van gammaflitsen, heeft daar wel ideeën over. „De uitgezonden gammastraling bestaat uit twee componenten”, zegt hij. „Het grootste deel wordt uitgezonden in de vorm van twee nauwe bundels of ‘jets’, maar er is ook een zwakkere ‘isotrope’ component – gammastraling die alle kanten op gaat. Deze laatste kun je alleen zien als de gammaflits dichtbij genoeg is. Het lijkt erop dat in dit geval geen van beide jets onze kant op wees.”

Drie belangrijke bevestigingen

Al met al zijn bij het onderzoek drie theoretische voorspellingen bevestigd. Allereerst blijkt uit de gelijktijdige aankomsttijden van de zwaartekrachtsgolven en andere vormen van straling dat de rimpelingen in de ruimtetijd zich met de snelheid van het licht voortplanten. Ook staat nu vast dat botsende neutronensterren veroorzakers van korte gammaflitsen zijn. En ten slotte is het al bestaande vermoeden bevestigd dat kilonova’s, oftewel botsende neutronensterren, een belangrijke – of misschien wel de belangrijkste – producenten van elementen zwaarder dan ijzer zijn.