Zwaartekrachtsgolf van botsende neutronensterren onthult oorsprong van goud

De vijfde meting van een zwaartekrachtsgolf brengt een reeks aan doorbraken met zich mee. Het is de eerste golf afkomstig van samensmeltende neutronensterren en de eerste keer dat de bron tegelijk met telescopen is waargenomen. Daarnaast kennen wetenschappers nu eindelijk de oorsprong van twee volstrekt uiteenlopende zaken: gammaflitsen en goud.

Voor het eerst hebben wetenschappers een zwaartekrachtsgolf gemeten afkomstig van twee botsende neutronensterren. Wat deze meting extra bijzonder maakt, is dat de neutronensterbotsing tevens met telescopen is waargenomen. De twee Amerikaanse LIGO-detectoren en de Europese Virgo-detector deden de ontdekking in samenwerking met zeventig onderzoeksgroepen van astronomen.

De eerste vier observaties van zwaartekrachtsgolven waren samensmeltende zwarte gaten. Drie wetenschappers die aan de wieg stonden van de LIGO-detectoren die deze golven maten, ontvingen begin deze maand nog de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Ster zo groot als Amsterdam

Goud ontstaat uit botsende neutronensterren. Beeld: NASA/Dana Berry.

De vijfde golf, gemeten op 17 augustus 2017, is de eerste die is opgewekt door twee samensmeltende neutronensterren. Dit zijn de overblijfselen van sterren die bij geboorte ongeveer tien keer zo zwaar zijn als de zon. Wanneer ze ontploffen in een supernova-explosie, slingeren ze het gros van hun massa het heelal in en blijft enkel een kleine, supercompacte kern over. Zo’n neutronenster heeft ongeveer de massa van de zon en een doorsnee van slechts 20 kilometer – vergelijkbaar met een stad zoals Amsterdam.

De twee neutronensterren die de onderzoekers zagen samensmelten, waren 1,1 tot 1,6 zonsmassa’s zwaar en bevonden zich op 130 miljoen lichtjaar van de aarde. Zeer waarschijnlijk smolten de sterren samen tot een zwart gat. De zwaartekrachtsgolven die ze tijdens hun fatale dans uitzonden, waren ongeveer 100 seconden meetbaar voor de LIGO- en Virgo-detectoren. Dat is veel langer dan de fractie van een seconde dat de botsing van zwarte gaten meetbaar is.

Blinde hoek

Doordat de zwaartekrachtsgolf niet alleen door LIGO, maar ook door Virgo was gemeten, kon de locatie aan de hemel redelijk nauwkeurig bepaald worden. ‘Het signaal was bij Virgo heel zwak’, vertelt astrofysicus Chris Van Den Broeck van deeltjesinstituut Nikhef in Amsterdam en de Rijksuniversiteit Groningen. In zijn onderzoek gebruikt hij zwaartekrachtsgolven om Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen. ‘Doordat het zo zwak was, wisten we dat het signaal uit de blinde hoek van de Virgo-detector moest komen. Zo konden we een klein gebied aan de hemel aanwijzen waar de golf vandaan kwam.’

LEESTIP In dit boek vertelt de bekende sterrenkundejournalist Govert Schilling alles over de eerste meting van zwaartekrachtsgolven en de mensen die dat mogelijk maakten. Alleen bij ons van €24,95 voor €19,95. Bestel nu in onze webshop.

Dankzij die locatiebepaling konden astronomen onmiddellijk na de meting van de zwaartekrachtsgolf telescopen op de bron richten. Slechts 1,7 seconde na de meting zag NASA’s ruimtetelescoop Fermi een gammaflits. Met andere telescopen werd bovendien de nagloed van de gebeurtenis gemeten, die bestaat uit straling uit andere delen van het elektromagnetische spectrum, zoals infrarood- en röntgenstraling.

Kilonova en goud

De gebeurtenis die de zwaartekrachtsgolfdetectoren en telescopen zagen, was om precies te zijn een kilonova met een daaruit volgende korte gammaflits. Bij een kilonova botsen twee neutronensterren of een neutronenster en een zwart gat op elkaar. Daarbij komt zo veel energie vrij dat een deel van het materiaal van de neutronensterren met een enorme snelheid het heelal in geslingerd wordt. Dat materiaal gloeit en is daardoor met telescopen waarneembaar.

Zo’n kilonova is volgens wetenschappers de enige manier waarop in het heelal zware metalen zoals goud en platina gemaakt kunnen worden. ‘Het goud van de ring die je draagt, is dus gevormd tijdens het samensmelten van twee neutronensterren of een neutronenster en een zwart gat’, vertelt Selma de Mink, sterrenkundige aan de Universiteit van Amsterdam. Dat zware metalen op die manier gevormd worden, is een aloud astronomisch vermoeden dat dankzij de telescoopopnamen van de nagloed nu eindelijk bewezen lijkt.

Gammaflitsen

En dat is niet het enige. Ook de korte gammaflits die na de zwaartekrachtsgolfmeting gezien werd, is van onschatbare waarde voor de sterrenkunde. Gammaflitsen zijn hevige uitbarstingen van gammastraling. Ze werden ongeveer vijftig jaar geleden voor het eerst waargenomen door de Vela-satellieten die de Amerikanen lanceerden om in de gaten te houden of de Sovjet-Unie volgens afspraak geen kernproeven deed. Met de satellieten zochten ze daarom naar gammastraling die resulteert uit kernexplosies. Tot hun verrassing zagen de Amerikanen ook gammaflitsen vanuit het heelal.

Inmiddels worden gammaflitsen regelmatig waargenomen en zijn de meeste onderzoekers het erover eens dat de korte varianten, die minder dan twee seconden duren, ontstaan bij het samensmelten van twee neutronensterren of een zwart gat en een neutronenster.

LEESTIP In het Pocket Science-deel Ruimtetijd vertelt New Scientist-redacteur Yannick Fritschy op toegankelijke wijze hoe Einstein ruimte en tijd bijeenbracht. €10. Bestel het boek in onze webshop.

Dat was echter nog nooit bewezen. Tot vandaag. Dankzij de gelijktijdige meting van een korte gammaflits en zwaartekrachtsgolven die de aanwezigheid van neutronensterren aantonen, is het vermoeden bevestigd. Wel was de gemeten gammaflits erg zwak. Een mogelijke verklaring daarvoor is dat de flits niet rechtstreeks in onze richting werd uitgezonden. Als meer metingen van dit soort kilonova’s verzameld worden, kunnen onderzoekers achterhalen hoe en wanneer de flitsen precies ontstaan.

Reeks aan firsts

De vijfde meting van zwaartekrachtsgolven is al met al dus een behoorlijk spektakel. Het is de eerste detectie van samensmeltende neutronensterren met bijbehorende meting van het uitgezonden licht. ‘Hier had ik niet op durven hopen’, zegt Van Den Broeck. ‘Het is een reeks aan firsts. Het is niet alleen de eerste meting van samensmeltende neutronensterren, ook was er voor het eerst een lichtsignaal en de detectie heeft voor het eerst aangetoond hoe korte gammaflitsen en zware metalen ontstaan bij het samensmelten van neutronensterren.’

Daarnaast zijn er een hoop raadsels die nu meer kans maken om opgehelderd te worden. De Mink: ‘Dit soort metingen kunnen ons meer leren over de samenstelling van neutronensterren. Daar is nog veel onduidelijk over.’

De ontdekking vormt een passend sluitstuk van de succesvolle eerste serie metingen van LIGO en Virgo. De detectoren liggen nu stil om geüpgraded te worden, maar in het najaar van 2018 worden ze weer aangezet. Van Den Broeck: ‘Dan verwacht ik dat we makkelijk één signaal per week zullen zien. Dat wordt dus veel werk om te analyseren, maar dat is alleen maar leuk.’

Lees hier meer reacties van wetenschappers die aan het onderzoek hebben meegewerkt! 

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder:

15 Reacties

  • Pim Lemmens

    | Beantwoorden

    Ik snap het nog steeds niet. Een detector van zwaartekrachtsgolven werkt doordat de ruimte door die golven enigszins wordt vervormd, dus even uitzet en weer inkrimpt. Die uitzetting en inkrimping wordt gemeten door laserinterferometers. Maar de laserstralen gaan door die zelfde ruimte die inkrimpt en uitzet, dus zelf krimpen ze en zetten ze ook uit, net als de ruimte die ze moeten meten. Hoe kun je een verschil meten als de meetlat net zo krimpt en uitzet als dat wat die moet meten?

    • Yannick Fritschy

      | Beantwoorden

      Goede vraag. De ruimte in de detectorbuizen krimpt en rekt inderdaad evenveel als de laserstralen, maar: de spiegels die de laserstralen terugkaatsen, zijn zogeheten testmassa’s. Die hangen aan koorden (quasi-vrije val) en rekken en krimpen niet mee met de detector. Een zwaartekrachtsgolf doet deze spiegels enkele picometers verschuiven, en deze verschuiving wordt gemeten doordat de lasers dan een langere/kortere weg afleggen.

    • NilsK

      | Beantwoorden

      Heb ik me ook altijd afgevraagd. Maar ik vind deze verklaring wel duidelijk:

      “Note that the phase shift itself isn’t caused by the lengthening and shortening of the paths because the wavelength of light also changes by this factor. Instead, it is measuring the arrival time of the crests and troughs of the light wave between the two arms (…), so it is more of a stopwatch than a ruler.”

      (bron: https://physics.stackexchange.com/questions/153657/ligo-flawed-by-the-identical-expansion-of-laser-wavelength-and-arms-in-presence)

  • prof. Baltasar

    | Beantwoorden

    @Pim, het is ook niet te begrijpen omdat…het een fantasie verhaal betreft!
    Het is letterlijk Science Fiction!
    Waarom?
    Er dient van alles uit de dikke duim te worden gezogen om zogenaamd aan te tonen dat het Heliocentrisch model (globe aarde draaiend, in een baan rond de zon…) juist is terwijl het een totaal verkeerde voorstelling van zaken geeft.

    Onderzoek het Geocentrische model en ontdek de waarheid! Er zijn tientallen boeken met onweerlegbare bewijzen over geschreven.
    https://www.amazon.com/Zetetic-Astronomy-Earth-Not-Globe/dp/1463655908

  • Herman

    | Beantwoorden

    Hoe kan de zwaartekrachtgolf en de lichtflits gelijktijdig bij de aarde aankomen, als de ster 130 miljoen lichtjaar ver staat?
    Hoe kan je zien of constateren dat er op 130 miljoen lichtjaren afstand goud of zilver ontstaat?

    • prof. Baltasar

      | Beantwoorden

      Zoals ik al zei: Science Fiction, fantasy. Theoretische wetenschap a la Jules Verne, Arthur C. Clarke en Douglas Adams.

    • NilsK

      | Beantwoorden

      Het idee is dat zwaartekrachtsgolven zich met lichtsnelheid uitbreiden en er dus net als de gemeten straling 130 miljoen jaar voor nodig hadden om ons te bereiken.
      Spannender is dat het begin van de gammaflits 1.7 seconden _later_ werd gemeten dan de zwaartekrachtsgolf. Op 130 miljoen jaar natuurlijk een heel klein verschil, dat verklaard zou kunnen worden door het feit dat straling zich in een medium (bv een gaswolk) langzamer voortbeweegt dan in vacuum en dus waarschijnlijk direct na het ontstaan 1.7 seconden “vertraging” heeft opgelopen. Of de klokken van de verschillende waarnemers liepen niet perfect synchroon :-).
      De aanwezigheid van goud en andere elementen zou theoretisch uit het spectrum van de uitgezonden straling kunnen blijken, al betwijfel ik dat men dit bij deze gebeurtenis heeft kunnen vastleggen.
      Ik dacht trouwens te hebben begrepen dat bij supernova-explosies het hele palet aan chemische elementen (inclusief goud, uranium, etc.) wordt geproduceerd, dus hoe men er plotseling op komt dat dit alleen in kilonovae gebeurt is me niet duidelijk.

  • Jan

    | Beantwoorden

    Wat zijn we het (on)eens weer!

    • NilsK

      | Beantwoorden

      Nee hoor. Er zijn alleen wat tussenwerpingen van iemand die erop kickt om te laten zien hoe lekker tegendraads hij is en die zichzelf ten onrechte professor noemt.

  • rob

    | Beantwoorden

    Het lijkt me deze keer wel heel duidelijk , dat zwaartekracht golven echt werken en de metingen ook .
    Aangezien de andersoortige telescopen het dit keer ook hebben kunnen waarnemen.
    Geweldig dat er mensen zijn die deze systemen kunnen bedenken.
    Inderdaad Nils ik heb ook altijd begrepen dat in supernova’s ook deze stoffen konden ontstaan.

  • Stefan

    | Beantwoorden

    Zelfs supernovae zijn niet krachtig genoeg om alle zware elementen te maken. Hier een overzicht met hoe de elementen ontstaan (zover wetenschappers nu weten)

    https://www.sciencenews.org/sites/default/files/2017/10/101317_ec_ligo_radio-discover_2_730.jpg

    • Detonator

      | Beantwoorden

      Interessant Stefan. Ik dacht ook dat supernovae meer elementen konden laten ontstaan. Maar compleet kan dat overzicht niet echt zijn omdat zonnen tijdens de stabiele levensfases zelf ook H omzetten tot He en C door middel van fusie.
      Hoe dan ook, interessant.

      • Dorine Schenk

        | Beantwoorden

        Klopt Detonator, ‘gewone’ kernfusie tijdens het leven van een zon ontbreekt in dit plaatje. Maar erg zware elementen ontstaan daar niet bij. Eerst vooral He door fuseren van protonen. Daarna ook nog wat C en O door Heliumfusie in lichte sterren. In zware sterren kan nog wat meer fusie plaatsvinden, maar dat gaat tot hooguit 56Fe.

        Alles zwaarder dan dat is niet stabiel en vervalt snel weer. Tenzij er genoeg energie/kracht/druk is dat er snel genoeg extra nucleonen (protonen/neutronen) in atomen gepropt worden zodat er snel genoeg andere zware elementen kunnen ontstaan die wel stabiel zijn. Dat kan alleen bij super/kilo-novae enz.

  • Rob

    | Beantwoorden

    Do you believe in magic?

    Het is lachwekkend als je de oude Nasa beelden ziet van ‘ruimtevluchten’ met de geloofwaardigheid van Thunderbirds.

    Nee, dan wordt er tegenwoordig toch beter gefaked dan vroeger.
    https://www.youtube.com/watch?v=ACODc5vcTDQ

Plaats een reactie