Fusie in het heelal: gammastraaluitbarstingen Understand article

Author(s): Henri Boffin

Vertaald door Erik Crampe en Roland Van Kerschaver . Henri Boffin van ESO in Garching (Duitsland), volgt het raadsel van de gammastraaluitbarstingen vanaf hun eerste ontdekking tot het jongste onderzoek over deze astronomische explosies.

Het GROND-instrument aan ESO’s
La Silla Observatorium is gewijd
aan de studie van
gammastraaluitbarstingen.
Figuur met dank aan ESO

Het begon allemaal zoals in een James Bond film. Gedurende de zestiger jaren, midden in de koude oorlog, lanceerden de Verenigde Staten een reeks satellieten, gevoelig voor gammastraling, om te controleren of de Sovjetunie het verdrag naleefde over het verbod van nucleaire testen in de atmosfeer, onder water en in de ruimte. In de atmosfeer van de aarde werden geen ontploffingen gedetecteerd.

In plaats hiervan werden geheimzinnige gammastraal-uitbarstingen waargenomen, die uit de ruimte leken te komen, alsof -zoals later in de sensatiepers werd geschreven- buitenaardse wezens een enorme galactische oorlog aan het voeren waren.

Omdat de weinige wetenschappers die toegang hadden tot de nucleaire gegevens eerst alle details wilden nagaan, was het pas in 1973, zes jaar na hun eerste waarneming, dat de ontdekking van deze raadselachtige explosies meegedeeld werd aan de wetenschappelijke wereld. Jammer genoeg konden de eerste gammastraaldetectors de gammastraalbronnen aan de hemel niet nauwkeurig lokaliseren, wat aanleiding gaf tot hevige discussies over hun oorsprong.

Flitslichten of vuurtoren?

Wetenschappers konden niet vertellen waar deze ontploffingen zich voordeden maar even min op welke afstand. Vonden ze plaats in onze omgeving –in het zonnestelsel, in onze melkweg of veel verder weg? Zonder kennis van de afstand was het niet mogelijk de energie ervan te bepalen: waren het enkel ‘vonken’ aan het oppervlak van kometen, vallende kometen op compacte sterren of gigantische ontploffingen die onze kennis uitdaagden. De situatie is te vergelijken met iemand die tijdens een nachtelijke wandeling een licht ziet: is het afkomstig van iemands zaklamp, zijn het de lichten van een verre auto of het geruststellende signaal van een verafgelegen vuurtoren?

Sterrenkundigen lieten hun verbeelding de vrije teugel: op zeker ogenblik waren er rond de honderd theorieën om het nieuwe verschijnsel te verklaren, meer dan het aantal waarnemingen. Zoals meestal werd er enkel vooruitgang geboekt bij het opduiken van nieuwe technieken, in het bijzonder bij de lancering van wetenschappelijke satellieten, speciaal uitgerust voor gammastraalonderzoek.

Het BATSE-instrument aan boord van het NASA-Compton Gammastraalobservatorium onthulde dat op een gewone dag ergens in het heelal twee of drie gammastraaluitbarstingen verschijnen vanuit alle richtingen. Dit lijkt in tegenstrijd met de idee dat ze alleen ontstaan in ons melkwegstelsel want in dat geval zouden ze de typisch afgeplatte distributie van zwakke sterren vertonen. De reden hiervoor is dat ons melkwegstelsel een sterk afgeplatte schijf van sterren is, zoals blijkt uit het voorkomen van de melkweg zelf – een sterrenband die de volledige nachtelijke hemel doorkruist.

Nochtans brachten deze beslissende waarnemingen het debat niet volledig tot rust en op het einde van de tachtiger jaren waren de astronomen nog steeds verdeeld in twee hevig tegengestelde kampen: het eerste geloofde dat gammaflitsen te wijten waren aan lokale gebeurtenissen – zoals kometen die vallen op neutronensterren – en werden gelokaliseerd in een halo rond ons melkwegstelsel. De andere groep verwierp deze hypothese en beweerde dat gammastraaluitbarstingen dramatische gebeurtenissen waren, verbonden met de dood van sterren en het ontstaan van zwarte gaten overal in het heelal.

De betwisting duurde tot de Italiaans-Nederlandse BeppoSAX satellietw2, gelanceerd in 1996, een combinatie gebruikte van X-straal camera’s en gammastraaldetectoren en aantoonde dat gammastraaluitbarstingen ontstaan in ver verwijderde galaxies. Sindsdien werden de verst verwijderde gammaflitsen gelokaliseerd op 12,8 miljard lichtjaar, wat betekent dat we deze nu waarnemen in de toestand toen het heelal 900 miljoen jaar oud wasw3.

De krachtigste gebeurtenissen sinds de Big Bang

Om gammastraaluitbarstingen op aarde te kunnen waarnemen moeten ze enorme hoeveelheden energie vrijmaken. De energie die tijdens zo’n uitbarsting gedurende enkele seconden vrij komt is groter dan die voortgebracht door de zon in haar volledige levensloop (ongeveer 10 miljard jaar). Met andere woorden, deze gebeurtenissen zijn zo helder dat ze voor een korte tijd het volledige heelal in lichtkracht overtreffen. Zij duren echter slechts zeer kort, minder dan een seconde tot hoogstens enkele minuten.

Afgezien van de Big Bang zelf, zijn gammastraaluitbarstingen verreweg de krachtigste gebeurtenissen bekend in het heelal. Astronomen konden ook uitmaken dat de ontploffingen een zeer groot gebied er rond verstoorden –in één geval rond 5500 lichtjaar, wat meer is dan een vijfde van de afstand tussen de zon en het centrum van onze galaxie. Alle materie in dit ruimtelijke gebied zal geïoniseerd zijn, d.w.z. dat de atomen de meeste, zoniet alle elektronen hebben losgelaten. Alle leven in dit gebied zal waarschijnlijk uitgeroeid zijn. Inderdaad beweren sommige wetenschappers dat de Ordoviciaanse-Siluriaanse massale uitroeiing, ongeveer 450 miljoen jaar geleden, waarbij 70 % van alle soorten op aarde werden uitgewist, te wijten was aan een nabije gammastraaluitbarsting.

Gammaflitsen zijn dus ongelooflijke gebeurtenissen die vernielingen aanbrengen in melkwegstelsels en enorme energiebedragen vrijmaken. De vraag is dan natuurlijke welke mechanismen in staat zijn zulke gebeurtenissen op te wekken. De vorming van een zwart gat is zo’n krachtige gebeurtenis zodat astronomen begonnen te onderzoeken of er geen verband bestond tussen de twee.

Alhoewel de details nog helemaal niet uitgeklaard zijn, geloven wetenschappers nu, dat het beste model ter verklaring van gammaflitsen de z.g. ‘vuurbal’ is. Volgens dit model is de energie die vrijkomt bij de explosie tijdens het ontstaan van een zwart gat, opgestapeld in de kinetische energie van een omhulsel van deeltjes -een vuurbal- die uitdijt met bijna de lichtsnelheid. Aanvankelijk is de dichtheid van de ontploffende materie zo hoog, dat zelfs deeltjes als fotonen en neutrino’s die gemakkelijk verdwijnen, niet kunnen ontsnappen. Als de vuurbal uitgezet is tot een diameter van 10 tot 100 miljard km, is de fotonendichtheid voldoende gedaald, zodat gammastralen ongehinderd kunnen ontsnappen: een deel van de kinetische energie van de vuurbal is omgezet in elektromagnetische straling met een gammastraaluitbarsting als resultaat.

Lang en kort

De schat aan waarnemingen van gammaflitsen bracht aan het licht dat ze hoofdzakelijk in 2 types voorkomen: lange (met een duur van meer dan 2 seconden) en korte (met een duur van enkele milliseconden tot 2 seconden). Het verschil tussen de twee betreft niet alleen hun duur: korte flitsen bevatten energierijkere fotonen dan lange flitsen. Alhoewel beide types gammaflitsen verbonden zijn met zwarte gaten, is het duidelijk dat de precieze fysische oorsprong van de twee types verschillend moet zijn.

De laatste tijd werd, dank zij een ruime internationale inspanning, overtuigend aangetoond dat lange gammaflitsen verbonden zijn met de laatste explosie gekoppeld aan de ineenstorting tot een zwart gat van zeer massieve sterren (hypernova) met een beginmassa van meer dan 30 tot 40 keer de massa van de zon. Het definitieve bewijs hiervan werd bekomen met behulp van de ESO telescopen in 2003w4. Gebruik makend van de ESO Very Large Telescoopw5 konden astronomen na een maand de spectra opvangen van de uitdovende nagloed van een gammastraaluitbarsting. Zo konden ze geleidelijk de verschijning waarnemen van een spectrum van het supernovatype, wat wees op de uiterst geweldige explosie van een ster.

Waarneming door ESO’s VLT van een korte gammaflits in een ver verwijderd sterrenstelsel. De linker afbeelding, genomen op 24 juli 2005, 12 uur na de gammastraaluitbarsting toont de toestand van de gammaflits GRB 050724 gemeten door de Swift X-straal Telescoop (XRT) en de Chandra X-straal satelliet. Het blauwe kruis is de positie van het optisch nagloeien . Een later beeld werd genomen op 29 juli 2005 en werd onttrokken aan het ander met als resultaat het beeld rechts. Dit onthult de nagloed, wat wijst op de aanwezigheid van een gammastraaluitbarsting.
Figuuren met dank aan ESO

Verschillende andere feiten lieten astronomen toe gammastraaluitbarstingen in verband te brengen met hypernova. Een dergelijk feit deed zich voor op 11 december 2001 en werd waargenomen door de ESA XMM-Newton satellietw6, slechts 11 uur nadat de uitbarsting gedetecteerd werd: op dat ogenblik was het object zeven miljoen keer meer X-stralen aan het uitzenden dan een normale galaxie. Dit liet XMM toe gedetailleerde spectra van de uitbarsting op te nemen, waardoor het voor de astronomen mogelijk werd de aanwezigheid van verschillende elementen te detecteren zoals magnesium, silicium en nikkel, typisch elementen uitgestoten door een exploderende ster.(voor meer details over de vorming van zware elementen, zie Rebusco, Boffin & Pierce-Price, 2007). De astronomen vonden dus materie die kortgeleden uitgestoten werd door een supernova.

Samensmeltende sterren

Wat nu met korte gammastraaluitbarstingen? Tot nog toe waren astronomen niet in staat een nagloed waar te nemen. Daarom was het onmogelijk ze precies te lokaliseren en de omgeving af te leiden waar ze gevormd werden, noch ze te karakteriseren door hun lichtkromme (verandering van de helderheid in de tijd) of spectrum.

De zaken veranderden op 9 mei 2005, toen de NASA/ASI/PPARC Swiftw7 satelliet een gammastraaluitbarsting die 40 milliseconden duurde waarnam en deze nauwkeurig genoeg lokaliseerde zodat de astronomen ESO’s Very Large Telescoop erop konden richten en beelden ervan nemen. De uitbarsting, GRB050509B genaamd, bleek zich te bevinden in een heldere elliptische galaxie zonder stervorming op 2700 miljoen lichtjaar. Hierdoor wordt het moeilijk beroep te doen op het hypernova model want een supernova instorting is onwaarschijnlijk in deze soort galaxie, die niet langer sterren voortbrengt en in ’t algemeen verstoken blijft van kort levende massieve sterren die ineenstorten tot hypernova.

Andersom herbergen heldere elliptische sterrenstelsels zonder stervorming veel hechte binaire systemen (twee dicht rond elkaar wentelende sterren) bestaande uit compacte sterren. Dit ondersteunt het andere overheersende model waarin gammastraaluitbarstingen veroorzaakt worden als 2 neutronensterren in een binair systeem samensmelten om een zwart gat te vormen. Om zeker te zijn dat het hypernova model kon worden uitgesloten, observeerden de astronomen de uitbarsting gedurende 3 weken tot ze overtuigd waren dat zelfs de zwakste supernova zou gedetecteerd worden maar ze vonden er geen.

Enkele maanden later namen de astronomen voor de eerste keer de optische nagloed van een korte gammaflits waar. Beelden bekomen op het ESO La Silla observatorium in Chili toonden een zwakke bron aan de rand van een galaxie.

Astronomen observeerden de uitbarsting, GRB050709 genaamd, gedurende 20 dagen maar detecteerden geen enkel op een supernova gelijkend signaal. Dit gaf verdere steun aan de hypothese dat korte gammastraaluitbarstingen niet verschijnen als resultaat van een hypernova maar wel als 2 zeer compacte sterren samensmelten tot een zwart gat.

Het samensmeltingsmodel: korte gammastraal- uitbarstingen worden verondersteld te ontstaan als twee zeer compacte objecten (neutronensterren of zwarte gaten) samensmelten om een zwart gat te vormen.
Figuuren met dank aan ESO

In het samensmeltingsmodel verbranden 2 massieve sterren hun brandstof in ongeveer 100 miljoen jaar en klappen ineen tot zeer dichte neutronensterren van ongeveer 10 à 20 km grootte. Daarna verliezen de 2 objecten nog eens gedurende 100 miljoen tot enkele miljarden jaren hun energie waardoor hun baan ineenkrimpt. Eventueel botsen ze dan en produceren hierbij een korte gammastraaluitbarsting. De theorie werkt ook indien één ster een zwart gat wordt en eventueel zijn partner neutronenster opslokt.

Veertig jaar na de ontdekking van gammastraaluitbarstingen weten we nu dat ze overal optreden in het heelal, aan de verste grens ervan tot in naburige melkwegstelsels. We hebben ook een verklaring gevonden voor de 2 meest voorkomende soorten uitbarstingen. Maar de natuur is dikwijls veel ingewikkelder dan wij geneigd zijn te denken: dank zij de vorderingen in de waarnemingstechnieken gaan de astronomen door met het ontdekken van nieuwe types gammastraaluitbarstingen en dus is het verhaal verre van beëindigd.

References

Web References

Resources

Institutions

Author(s)

Dit is een zeer opwindend artikel dat een inleiding en een bespreking omvat van een verschijnsel met een enorme hoeveelheid energie: gammastraaluitbarstingen. Het artikel kan gebruikt worden om een discussie te stimuleren zowel over het ontstaan en de geheimen van het heelal als over wetenschappelijke ontdekkingen en technologische vorderingen in het onderzoek. Let bijvoorbeeld op de samenwerking van ESO telescopen en NASA en ESA satellieten. Het kan ook jonge studenten aanmoedigen zich te interesseren voor en betrokken te voelen bij de astronomie.

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF