Voor het eerst hebben astronomen de snelheid gemeten van een bundel deeltjes die de ruimte in gespoten wordt door een neutronenster. Deze zogeheten jet schoot weg met meer dan een derde van de lichtsnelheid.
‘Hoe de jets ontstaan die neutronensterren en zwarte gaten de ruimte in schieten, is een van de grote open vragen’, vertelt sterrenkundige Nathalie Degenaar van de Universiteit van Amsterdam. ‘Wij hebben nu een eerste stapje gezet in het beantwoorden van die vraag, door een nieuwe meetmethode te ontwikkelen.’ Hun resultaten verschenen in het wetenschappelijk tijdschrift Nature.
De materiebundels ontstaan als zwarte gaten of neutronensterren materie uit hun omgeving opslokken. Dat kan een gaswolk zijn die te dichtbij komt, of het kan een nabije ster zijn waar de neutronenster of het zwarte gat met zijn sterke zwaartekracht gas vanaf trekt. Dit opslokken van materie gaat gepaard met zoveel geweld dat een deel ervan in bundels, of jets, de ruimte in geschoten wordt. ‘Hoe die jets daar precies bij ontstaan, weten we niet’, zegt Degenaar. ‘We weten alleen dat er een duidelijk verband is met het opzuigen van omringende materie. We zien namelijk dat hoe sneller ze gas opslokken, hoe helderder de jets zijn die ze uitspugen.’
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Jet en rotaties
Er zijn verschillende theorieën over hoe zwarte gaten en neutronensterren de jets de ruimte in schieten. ‘Een van die theorieën zegt dat de energie die daarvoor nodig is, wordt onttrokken aan de rotatie van de neutronenster of het zwarte gat’, vertelt Degenaar.
Die theorie kon tot nu toe niet getest worden, omdat je daarvoor de snelheid van de jets moet weten en de rotatie van de neutronenster of het zwarte gat. Van een handjevol zwarte gaten is bekend hoe snel de jets bewegen, omdat deze objecten relatief dichtbij staan en krachtige jets hebben, waardoor ze goed zichtbaar zijn. Maar het is heel moeilijk om te achterhalen hoe snel zwarte gaten roteren. De rotatie van neutronensterren is daarentegen relatief eenvoudig te achterhalen. Maar hun jets zijn lastig zichtbaar.
Uitbarstingen neutronenster
Degenaar en haar collega’s bedachten een slimme manier om de snelheid van de jets van neutronensterren te bepalen. Hiervoor combineerden ze waarnemingen van röntgenstraling met die van radiostraling. ‘Als het opgeslokte materiaal op het oppervlak van een neutronenster landt, dan ontstaan daar, door de hoge druk van de sterke zwaartekracht, regelmatig explosies’, vertelt Degenaar. Die explosies duwen gas de jet in. De explosies produceren waarneembare röntgenstraling, en de jet licht op in meetbare radiostraling als er een stoot gas in wordt gespuwd.
Uit de tijd die zit tussen het waarnemen van de röntgenstraling van de explosie en van de radiostraling van de jet, kunnen sterrenkundigen afleiden wat de snelheid is waarmee de materie in de jet beweegt. Met deze slimme methode hebben Degenaar en haar collega’s nu bij twee neutronensterren de snelheid van de jets bepaald. Ze blijken te bewegen met ruim een derde van de lichtsnelheid. Dat is snel, maar niet zo snel als de jets van zwarte gaten. Die spuiten met bijna de lichtsnelheid het heelal in.
Hoog-risicosubsidie
Voor dit onderzoek hadden Degenaar en haar collega’s veel waarneemtijd nodig op een grote radiotelescoop. En ze konden niet garanderen dat hun methode zou werken. Degenaar: ‘We hadden uitgerekend dat we de telescoop ongeveer 80 uur nodig hadden. Het was bijna onmogelijk om zoveel waarneemtijd te krijgen, terwijl we misschien niets zouden zien. Er waren namelijk nog veel andere sterrenkundigen, met minder risicovolle plannen, die ook waarneemtijd wilden.’
In 2020 wist Degenaar een zogeheten XS-beurs van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) binnen te halen. Met deze beurs, die bedoeld is voor veelbelovende ideeën en vernieuwende en risicovolle initiatieven, konden de sterrenkundigen waarneemtijd kopen bij een radiotelescoop.
Wild idee
Hun methode bleek succesvol, en kostte zelfs minder waarneemtijd dan gedacht. Een paar uur waarnemen per neutronenster was voldoende. ‘Het was erg bijzonder en leuk om zulk hoog-risico-onderzoek te doen’, zegt Degenaar. ‘Een wild idee hebben, de mogelijkheid krijgen om dat uit te proberen en vervolgens iets moois vinden. Dat is voor mij wat wetenschap echt is.’
Als volgende stap willen de sterrenkundigen de jetsnelheid van meer neutronensterren gaan meten. Ook willen ze deze snelheid nog preciezer in kaart brengen door op verschillende punten in de enorm grote en lange jets te kijken. Degenaar: ‘Nu we aangetoond hebben dat de methode werkt, en we minder tijd nodig hebben dan verwacht, zal het niet moeilijk zijn om hier waarneemtijd voor te krijgen.’
