De gemeenschappelijke gulzigheid van neutronenster en zwart gat

Hoewel ze in de kern wezenlijk verschillen, vertonen neutronensterren en zwarte gaten overeenkomstig inhalig gedrag ten opzichte van hun partner. Dat is de conclusie uit onderzoek aan twee soorten 'zachte röntgen fluctueerders' (soft X-ray transients). Dr. Wenfei Yu en collega's van de Universiteit van Amsterdam presenteren dit resultaat vandaag in Quebec, Canada, op de jaarlijkse bijeenkomst van de High Energy Astrophysics Division (HEAD) van de American Astronomical Society.


Soft X-ray transients kunnen zowel een neutronenster als een zwart gat als 'centrale machine' hebben. Neutronen-sterren en zwarte gaten lijken op het eerste gezicht elkaars tegenpool. Een neutronenster is een extreem compacte bol materie (een of meer zonsmassa's samengepakt in een bol van ongeveer 20 kilometer diameter) met een hard oppervlak. Een zwart gat heeft geen oppervlak, maar wordt omgeven door een waarnemingshorizon, een denkbeeldige grens waar materie doorheen kan vallen, maar van waar niets terug kan komen, zelfs licht niet.
In soft X-ray transients heeft de neutronenster of het zwarte gat een ster als partner, die er in een zeer nauwe baan om heen draait. Door de aantrekkingskracht van het - meestal veel zwaardere - centrale object verliest de ster voortdurend materiaal, dat zich vlak rond het centrale object verzamelt in een zeer snel roterende accretie-schijf. Het materiaal in de accretie-schijf wordt door onderlinge wrijving zo heet, dat het veel energie verliest in de vorm van röntgen-straling, alvorens te worden opgeslokt door het centrale object.


Dit proces verloopt niet gelijkmatig; het systeem van centraal compact object met accretiesschijf lijkt te fluctueren tussen twee (of meer) toestanden, waarbij kalme perioden en uitbarstingen elkaar afwisselen. Men veronderstelt dat tijdens zo'n overgang de binnenrand van de accretieschijf dichter bij het centrale object komt, wat verhoogde activiteit tot gevolg heeft. Rond het centrale object bevindt zich mogelijk een corona, die dan eveneens veranderingen ondergaat.


Tijdens een uitbarsting, die een maand of drie kan duren, zendt de transient net zo veel energie in de vorm van röntgenstraling uit als de zon in totaal in een eeuw produceert. Om te achterhalen wat zich precies afspeelt in zulke dubbelstersystemen is men afhankelijk van indirect bewijsmateriaal, want ze zijn veel te klein om details direct waar te nemen, zelfs met de beste telescopen. Wenfei Yu, Marc Klein Wolt, Rob Fender en Michiel van der Klis van het Sterrenkundig Instituut 'Anton Pannekoek' van de UvA analyseerden twee van die uitbarstingen van Aquila X-1, een neutronenster transient, en vergeleken die met uitbarstingen van de zwart gat transients XTE J1550-564 en XTE J1859+226. Zowel wat betreft het tijdsverloop als de ontwikkeling van het spectrum vonden ze opmerkelijke overeenkomsten. Astronomen maken onderscheid tussen 'harde' en 'zachte' röntgenstraling, waarbij eerstgenoemde variant de meeste energie (en dus de kortste golflengte) heeft. Het is nu gebleken dat de uitbarstingen van Aquila X-1 beginnen met een intense 'vlam' van harde röntgenstraling die enige dagen duurt. Pas als deze al weer bijna uitgedoofd is begint de uitbarsting van zachte röntgenstraling op gang te komen, die weken kan aanhouden.



Dit karakteristieke verloop was wel eerder al bij zwarte gaten gezien, maar nog nooit bij een neutronenster. Deze analyse van Aquila X-1 legt dus voor het eerst een link tussen neutronenster transients en zwarte gat transients. Yu: 'Het is duidelijk dat de overgang tussen de ene en de andere toestand tijdens een uitbarsting dezelfde oorsprong heeft in beide soorten transients.' Dat is opmerkelijk, omdat materie uit een accretie-schijf rond een neutronenster tenslotte op het oppervlak van de neutronenster terecht komt en daar al z'n gravitatie-energie afgeeft in de vorm van röntgenstraling. Materie uit de accretieschijf rond een zwart gat, daarentegen, ontmoet geen weerstand maar 'verdwijnt' achter de waarnemingshorizon. 'Het ziet er naar uit dat we toch een gemeenschappelijk model kunnen ontwikkelen dat van zowel neutronensterren als zwarte gaten de röntgen-variaties en –spectra verklaart', aldus Van der Klis.


Contact:

dr. Wenfei Yu

yuwf@astro.uva.nl



drs. Marc Klein Wolt

Klein@science.uva.nl