Met een scala aan observaties van neutronensterren schijnen onderzoekers nieuw licht op twee astrofysische vraagstukken. Allereerst komen ze met een nieuwe schatting van de grootte van een typische neutronenster. Daarnaast hebben ze aan de hand van de observaties de hubbleconstante berekend, die de snelheid aangeeft waarmee het universum uitdijt.
‘We combineerden observaties van verschillende soorten signalen die door neutronenstersystemen zijn uitgezonden’, vertelt Peter Pang, promovendus aan de Universiteit Utrecht en het onderzoeksinstituut Nikhef. ‘De geobserveerde systemen varieerden van snel ronddraaiende neutronensterren, genaamd pulsars, tot dubbelsterren waar twee neutronensterren om elkaar draaien en uiteindelijk samensmelten.’
‘De observaties hebben we niet zelf uitgevoerd. We combineerden onderzoek van anderen’, benadrukt Tim Dietrich, hoogleraar theoretische astrofysica aan de Universiteit van Potsdam.
‘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.
Multi-messenger-astronomie
Het combineren van verschillende soorten astronomische signalen heet multi-messenger astronomie. De signalen kunnen variëren van (zichtbaar) licht tot radiogolven, zwaartekrachtsgolven en kosmische deeltjes zoals neutrino’s.
Het detecteren van zwaartekrachtgolven is de meest recente uitbreiding van de multi-messenger-familie. Sinds 2015 meten kilometers grote detectoren kleine rimpelingen in de ruimtetijd die worden veroorzaakt door extreme gebeurtenissen, zoals het samensmelten van zwarte gaten of neutronensterren.
Pang, Dietrich en de rest van hun onderzoeksgroep keken naar twee zwaartekrachtsgolfmetingen van samensmeltende neutronensterren; een uit 2017 en een uit 2019. De meting uit 2017 was bijzonder. Daarbij observeerden telescopen namelijk ook elektromagnetische straling van de samensmelting. Hierdoor beschikten de onderzoekers over twee informatiestromen van dezelfde bron.
Neutronenster opgemeten
Neutronensterren zijn extreem compact, met een hogere dichtheid dan atoomkernen. Een theelepeltje neutronenstermateriaal zou een miljard ton wegen. Door de kernmerken van neutronensterren nauwkeurig te meten, willen onderzoekers deze extreem compacte materie beter begrijpen.
Uit de analyse van zwaartekrachtsgolfmetingen, gecombineerd met andere neutronenstermetingen, concluderen de onderzoekers in hun publicatie dat een typische neutronenster, met 1,4 keer de massa van de zon, een straal heeft van ongeveer 11,75 kilometer.
‘Er zijn eerder analyses gedaan die ook zwaartekrachtsgolfobservaties combineerden met andere neutronensterwaarnemingen’, mailt Anna Watts, hoogleraar sterrenkunde aan de Universiteit van Amsterdam, die niet betrokken is bij de nieuwe publicatie. Wel werkte Watts mee aan een eerder artikel waarin zwaartekrachtsgolfmetingen gecombineerd werden met observaties van de NASA-telescoop NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer), die specifiek neutronensterren onderzoekt.
‘Dit nieuwe onderzoek voegt daar de informatie aan toe van de elektromagnetische stralingsmetingen die samenvielen met de zwaartekrachtsgolfmeting’, vervolgt Watts. ‘De reden waarom wij die niet in onze analyse hebben opgenomen, is omdat het modelleren van deze elektromagnetische informatie vrij onzeker is. De onderzoekers benoemen dit ook en ik denk dat het een belangrijk voorbehoud is bij hun werk.’
Verwarring over uitdijingssnelheid
Het tweede resultaat was de meting van de hubbleconstante, die de uitdijingssnelheid van het universum weergeeft. Over dat getal is behoorlijk wat verwarring. De twee belangrijkste methodes om deze constante te bepalen, geven waardes die 9 procent van elkaar verschillen. De ene methode kijkt naar de kosmische achtergrondstraling, het licht dat vlak na de oerknal werd uitgezonden. De andere meet de uitdijingssnelheid op basis van sterren waarvan de helderheid op een voorspelbare manier varieert.
De waarde die de onderzoekers nu met behulp van neutronensterren hebben gevonden, komt het best overeen met de hubbleconstante die volgt uit de metingen aan de kosmische achtergrondstraling. ‘Maar ons onderzoek is niet zeker genoeg om de andere waarde uit te sluiten’, zegt Dietrich. ‘Daarvoor zijn meer multi-messenger-observaties nodig.’
En die observaties komen er waarschijnlijk aan. ‘NICER zal binnenkort metingen vrijgeven voor nog twee neutronensterren’, zegt Watts. ‘Dat kan een grote stap voorwaarts zijn. En natuurlijk hopen we allemaal op nieuwe zwaartekrachtsgolfmetingen van samensmeltende neutronensterren met bijbehorende, meetbare elektromagnetische signalen.’