Meer dan het oog kan zien: het exotische hoge energie-heelal Understand article

Vertaald door Dave Lommen. Leer in dit derde artikel over sterrenkunde en het elektromagnetisch spectrum over de exotische en krachtige kosmische fenomenen die astronomen onderzoeken met röntgen- en gammatelescopen zoals XMM-Newton en INTEGRAL van de Eurepese Ruimtevaartorganisatie.

Toen het ruimtevaarttijdperk in de jaren 1960 een hoge vlucht nam, begon ook het tijdperk van de hoge energie-sterrenkunde. Voor het eerst konden astronomen het heelal bekijken door röntgen- en gammaogen. Elektromagnetische (EM) straling wordt bij deze golflengten uitgezonden door kosmische bronnen met extreme eigenschappen zoals ontzettend hoge temperaturen, buitengewoon hoge dichtheden of opvallende sterke magnetische velden. Sterrenwachten op de aarde konden deze straling, met golflengten die te kort zijn om door de aardatmosfeer te dringen (figuur 1), niet opvangen. De eerste sterrenwachten in de ruimte waren nodig om dit turbulente en altijd veranderende heelal te ontsluieren.

Binnen een halve eeuw hebben waarnemingen gemaakt bij de allerhoogste energieën onze kijk op de kosmos veranderd. Door de hemel in röntgen- en gammastralen te bekijken hebben astronomen diverse nieuwe typen astronomische bronnen ontdekt en hun kennis over vele andere objecten uitgebreid. Om het heelal in het röntgen- en gammagebied van het EM spectrum te onderzoeken^w1, heeft de Europese Ruimtevaartorganisatie (European Space Agency of ESA, zie kader) twee ruimteobservatoria: twee missies: XMM-Newton (röntgenstraling) en INTEGRAL (rötgen- en gammastraling). De technieken die gebruikt worden in de röntgen- en gammasterrenkunde werden geïntroduceerd in het tweede artikel in deze serie (Mignone & Barnes, 2011b); dit artikel geeft een overzicht van wat deze missies ons geleerd hebben, van het leven van sterren tot de structuur van het heelal. Zie voor een overzicht van het EM spectrum en de rol daarvan in de sterrenkunde het eerste artikel in deze serie (Mignone & Barnes, 2011a).

Geboorte en dood van sterren ontsluieren

Sterren worden geboren als gigantische wolken van gas en stof onder de zwaartekracht ineenstorten, fragmenteren en protosterren vormen. Deze protosterren groeien later uit tot volwassen sterren wanneer kernfusie in hun centrum begint. Hoe een ster verder evolueert, hangt van zijn massa af, waarbij een zware ster en korter leven en een spectaculairder einde heeft dan een ster van lagere massa (figuur 2).

Het zijn de eerste en laatste fases in de levenscyclus van een ster die het meest interessant zijn voor röntgen- en gamma-astronomen. Omdat sommige erg jonge sterren veel röntgenstraling uitzenden, kunnen astronomen hen ontdekken door met röntgentelescopen zoals XMM-Newton naar stervormingsgebieden te kijken (figuur 3). De zwaarste jonge sterren zenden zeer hoog-energetische straling en extreem heet gas uit, die worden waargenomen op röntgengolflengten en die de vorming van andere sterren in de omgeving beïnvloeden. Sterrenkundigen hebben met XMM-Newton bubbels van heet gas rond jonge massieve sterren gevonden in verschillende gebieden, verspreid over de hemel^w2, waaronder de Orionnevel en het stervormingsgebied NGC 346. Dit onderzoek helpt ons begrip van hoe jonge massieve sterren de stervorming in hun omgeving beïnvloeden – een hot topic in de moderne astrofysica.

Aan het einde van hun leven exploderen massieve sterren als supernovae (zoals beschreven in Székely & Benedekfi, 2007), waarbij ze het omringende gas verwarmen tot extreem hoge temperaturen en deeltjes zoals elektrons versnellen tot zeer hoge snelheden. Hierdoor wordt een grote hoeveelheid röntgen- en gammastraling uitgezonden (figuur 4). Bovendien worden elementen zwaarder dan ijzer, zoals lood, nikkel en goud, gesmeed tijdens een supernova-uitbarsting (zie Rebusco et al., 2007, om meer te leren). Sommige van deze elementen zijn radioactief en vervallen uiteindelijk tot stabiele isotopen, waarbij ze gammastraling uitzenden. Astronomen hebben INTEGRAL gebruikt om de Melkweg in kaart te brengen en hebben sporen van het radioactieve isotoop aluminium-26 gevonden. Net als archeologen zijn ze in de geschiedenis van onze melkweg gedoken en hebben ze een overzicht van vroegere supernovae gemaakt. De resultaten laten zien dat supernovae gemiddeld eens per 50 jaar plaatsvinden^w3 in de Melkweg.

Na een supernova-explosie blijft er van een massieve ster niets anders over dan een extreem compact en dicht object – hetzij een neutronenster of een zwart gat.

Met zulk een gigantische massa samengeperst in een beperkte ruimte hebben deze resten uitzonderlijk sterke zwaartekrachtsvelden en trekken ze immens hard aan materie in de buurt, maar ze zijn vrij moeilijk te detecteren. Als het compact object echter onderdeel uitmaakt van een dubbelstersysteem (waarbij twee sterren rond een gezamenlijk massamiddelpunt draaien), dan is het mogelijk dat het massa van zijn begeleider begint op te slurpen; het accreterende materiaal wordt dan verhit tot miljoenen graden en begint röntgen- en gammastraling uit te zenden. Deze hoogenergetische straling kan gebruikt worden om de aanwezigheid van een neutronenster of zwart gat aan te tonen.

Deze systemen worden röntgendubbelsterren (figuur 5) genoemd en werden in de late jaren 1960 met röntgenwaarnemingen ontdekt. Destijds waren neutronensterren en zwarte gaten alleen nog maar theoretisch voorspeld, dus deze waarnemingen vormden het eerste bewijs van hun bestaan.

Sindsdien hebben diverse generaties van ruimtetelescopen de astronomen geholpen om meer te leren. XMM-Newton en INTEGRAL hebben vele röntgendubbelsterren waargenomen (die soms ook gammastraling uitzenden) en daarmee belangrijke details over de fysica van zwarte gaten en neutronensterren aangetoond. Gammastralen van Cygnus X-1, waargenomen met INTEGRAL^w4 hebben bijvoorbeeld geholpen om beter te begrijpen hoe materie door een schijf op dit zwarte gat accreteert en voor een deel in twee symmetrische straalstromen wordt weggeschoten.

Het verre heelal

Astronomen nemen niet alleen de geboorte en dood van sterren in onze Melkweg en nabije sterrenstelsels bij hoge energieën waar, maar gebruiken röntgen- en gammastraling ook om het veel verdere heelal te onderzoeken – inclusief superzware zwarte gaten en clusters van melkwegstelsels.

Alle grote melkwegstelsels hebben een supermassief zwart gat in hun kern, met massa van enkele miljoenen tot enkele miljarden maal die van de zon. Sommige melkwegstelsels, die actieve sterrenstelsels worden genoemd, hebben supermassieve zwarte gaten die, anders dan degene in de kern van onze Melkweg, actief zijn. Ze verorberen materie uit hun omgeving en zenden hoogenergetische straling en krachtige straalstromen van hoogenergetische deeltjes uit (figuur 6).

ESA’s XMM-Newton en INTEGRAL zijn dus ideale gereedschappen om op actieve sterrenstelsels te jagen en om hun krachtbronnen te onderzoeken. Omdat astronomen niet alle benodigde details in de verste hoogenergetische bronnen kunnen zien, verzamelen ze ook gegevens van zo veel mogelijk nabije actieve sterrenstelsels. Door data van nabije en verre melkwegstelsels te combineren, hebben astronomen uitgevonden hoe supermassieve zwarte gaten via een schijf materie accreteren en hoe deze schijven mogelijk omgeven zijn door absorberende gaswolken^w5.

Op een nog grotere schaal groepen melkwegstelsels samen in clusters van soms wel tienduizenden sterrenstelsels. Deze clusters zijn de grootste structuren in het heelal die bij elkaar gehouden worden door de zwaartekracht en geven diffuze röntgenstraling af. Dit schijnsel, voor het eerst waargenomen in de jaren 1970, verraadt dat de intergalactische ruimte in een cluster een enorme hoeveelheid heet gas bevat. Samen met andere observatoria die de hemel over het hele EM spectrum waarnemen, heeft XMM-Newton honderden clusters van melkwegstelsels waargenomen (figuur 7).

Deze bevatten ook een heel ver cluster dat een van de eerste structuren is die in het heelal gevormd zijn^w6, slechts 3 miljard jaar na de oerknal. Dit klinkt misschien als een erg lange tijd, maar het is minder dan een kwart van de huidige leeftijd van het heelal.

Clusters van sterrenstelsels bevinden zich in de dichtste knopen van het kosmische web, het gigantische netwerk van structuren die het heelal uitmaken dat voornamelijk bestaat uit onzichtbare donkere materie^w7. Met XMM-Newton hebben astronomen materie waargenomen waar het het meest geconcentreerd is en zo de verdeling van de kosmische structuur in kaart gebracht (figuur 8).

Van de geboorte van een ster tot de structuur van het heelal – wat volgt er nog? Röntgen- en gammaobservatoria, waaronder XMM-Newton en INTEGRAL van ESA, blijven de altijd veranderende hoge energie-hemel in de gaten houden om plotse, gewelddadige uitbarstingen van röntgen- en gammastralen op te tekenen. Door de wonderen der hemel aan de astronomen te blijven ontsluieren, helpen deze bijzondere ruimtetelescopen om de mysteries van ons universum op te lossen.

Meer over ESA

De Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA)^w8 is Europa’s toegang tot de ruimte, organiseert programma’s om meer uit te vinden over de aarde, haar directe omgeving, het zonnestelsel en het heelal, werkt samen om de bemande ruimtevaart te stimuleren, ontwikkeld satellietgebaseerde technologieën en services en bevordert de Europese industrie.

Het Directorate of Science and Robotic Exploration legt zich toe op het ruimtewetenschappelijke programma van ESA en de verkenning van het zonnestelsel met behulp van robots. In de zoektocht naar een beter begrip van het universum, sterren, planeten en het ontstaan van leven zelf turen satellieten van ESA in diepste hoeken van de kosmos en kijken ze naar de verste melkwegstelsels, bestuderen ze de zon in ongeëvenaard details en verkennen ze onze planetaire buren.

ESA is een lid van EIROforum^w9, de uitgever van Science in School.

References

• Mignone C, Barnes R (2011a) More than meets the eye: the electromagnetic spectrum. Science in School 20: 51-59.
• Mignone C, Barnes R (2011b) Het zichtbare licht voorbij: ontrafeling van het heelal met de grootst mogelijke energieën. Science in School 21.
• Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusie in het heelal: de bron van alle juwelen. Science in School 5.
• Székely P, Benedekfi Ö (2007) Fusie in het heelal: wanneer een reuzenster sterft… Science in School 6.

Web References

• w1 – Kijk om meer te weten te komen over röntgen- en gamma-astronomie bij ESA naar Rebecca Barnes in Deel 5 van de Science@ESA vodcast: The untamed, violent Universe.
• w2 – Leer meer over hoe XMM-Newton hielp bij de bestudering van het stervormingsgebied NGC346 en hoe hij een bel van heet gas in de Orionnevel ontdekte.
• w3 – Leer hoe INTEGRAL de supernova-frequentie voor de Melkweg bepaalde en hoe XMM-Newton hielp bij de analyse van de resten van Tycho’s supernova en hoe XMM-Newton hielp bij de analyse van de resten van Tycho’s supernova.
• w4 – De website van ESA heeft meer informative over röntgendubbelsterren.

  • Ontdek hoe de gammastraling van de straalstromen van Cygnus X-1 werden waargenomen met INTEGRAL (‘INTEGRAL spots matter a millisecond from doom’).

  • Leer over hoe Supergiant Fast X-ray Transients warden waargenomen door XMM-Newton (‘Neutron star caught feasting on clump of stellar matter’).

• w5 – Lees meer details over ESA’s ontdekkingen over actieve sterrenstelsels met XMM-Newton en INTEGRAL.
• w6 – Lees over hoe XMM-Newton hielp bij de ontdekking van een oud cluster van melkwegstelsels in het jonge heelal.
• w7 – Leer over de eerste 3D kaart van de donkere materie-blauwdruk van het heelal.
• w8 – Bezoek voor meer informatie over de Europese Ruimtevaartorganisatie de website van ESA.
• w9 – Leer meer over EIROforum.

Resources

• ESA heeft nog veel meer educatieve materialen.

  • Al het educatieve materiaal van ESA is vrij beschikbaar voor docenten in de 18 landen die lid zijn van ESA. Veel materiaal is vertaald in diverse Europese talen.

• Leer meer over de activiteiten van het European Space Agency’s Directorate for Science and Robotic Exploration.

Institutions

Author(s)

Claudia Mignone, Vitrociset Belgium voor ESA – Europese Ruimtevaartorganisatie, is wetenschappelijk auteur voor ESA. Ze studeerde sterrenkunde aan de Universiteit van Bologna, Italië, en promoveerde op een kosmologisch onderwerp aan de Universiteit van Heidelberg, Duitsland. Voordat ze bij ESA begon, werkte ze bij het public outreach office van de Europese Zuidelijke Sterrewacht (European Southern Observatory, ESO).

Rebecca Barnes, HE Space Operations for ESA – European Space Agency, is de education officer van het Science and Robotic Exploration Directorate van ESA. Ze studeerde natuur- en sterrenkunde aan de Universiteit van Leicester, Verenigd Koninkrijk, en werkte voorheen in de onderwijs- en ruimtecommunicatie-afdelingen van het National Space Centre van het Verenigd Koninkrijk. Neem om meer te leren over de onderwijsactiviteiten van ESA’s Robotic Exploration Directorate contact op met Rebecca via SciEdu@esa.int

Review

Dit artikel, het derde in een serie, beschrijft Europese onderzoeksactiviteiten in het veld van de hoge energie-astrofysica. Het tweede artikel in de serie beschreef de technieken die gebruikt worden door twee ESA missies, XMM-Newton (röntgen) en INTEGRAL (röntgen- en gammastraling); dit artikel beschrijft enkele van hun resultaten, inclusief inzichten in de geboorte en dood van sterren en het verder weg gelegen heelal.

Voor oudere leerlingen (16+) is het artikel ideaal voor natuurkundelessen, waar het gebruikt kan worden om astrofysica (het leven van sterren, kosmische objecten, de oerknaltheorie), optica of zelfs kwantumfysica (spectraal bereik, verband tussen golflengte en energie, EM golven), massa en zwaartekracht aan de orde te stellen. Het kan ook gebruikt worden in aardrijkskundelessen over het heelal, het zonnestelsel en kosmische objecten.

Om het ook toegankelijker te maken voor jongere leerlingen (10-15 jaar oud), zou ik voorstellen dat de docent slechts delen uit het artikel selecteert om te discussiëren.

Het artikel zou ook zeer bruikbaar kunnen zijn in lessen Nederlands of Engels, of – wanneer het eenmaal vertaald is – in lessen Duits, Frans of een andere taal. Omdat het artikel niet te technisch is, kunnen zelfs docenten die niet erg bekend zijn met natuurkunde het gebruiken.

Het artikel kan ook gebruikt worden om discussie te stimuleren, met vragen zoals:

1. Beschrijf de Europese ruimtemissies XMM-Newton en INTEGRAL.
2. Geef een overzicht van het elektromagnetisch spectrum (inclusief zichtbaar, infrarood en UV).
3. Wat is de relatie tussen golflengte, energie en frequentie?
4. Waarom gebruiken we naast observatoria op de grond ook ruimteobservatoria?
5. Waarom zijn de bronnen die het helderst in het gammaregime stralen heter dan de bronnen die het helderst in het röntgengebied stralen?
6. Wat zijn röntgendubbelsterren?
7. Wat kan gebeuren met massieve sterren aan het einde van hun levens?

Gerd Vogt, Higher Secondary School for Environment and Economics, Yspertal, Oostenrijk

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF