Neutronenster imiteert zwart gat en gammaflits

Figuur 2 
Dezelfde gegevens als in figuur 1, maar nu in de vorm van 'verschilkaarten'. De bovenste kaarten (de referenties) zijn voor alledrie de series gelijk aan die van figuur 1. De kaarten eronder tonen het verschil tussen de referentiekaart en de ov
Figuur 2 Dezelfde gegevens als in figuur 1, maar nu in de vorm van 'verschilkaarten'. De bovenste kaarten (de referenties) zijn voor alledrie de series gelijk aan die van figuur 1. De kaarten eronder tonen het verschil tussen de referentiekaart en de ov
Voor het eerst is een 'ultra-relativistische jet' waargenomen die door een neutronenster wordt uitgestoten. De Amsterdamse astronomen Rob Fender en Michiel van der Klis en collega's uit Groot Bittannie en Australie ontdekten dit verschijnsel in de rontgen- en radio-bron Circinus X-1, op ongeveer 20.000 lichtjaar afstand in ons Melkwegstelsel. Zulke ultra-relativistische jets met snelheden van 99,8% van de lichtsnelheid, waren tot nu toe slechts bekend als het product van extreem zware zwarte gaten in sterrenstelsels op miljoenen lichtjaren afstand, en als veronderstelde oorzaak van de fameuze gammaflitsen (gamma ray bursts).


In de hierarchie van extreme objecten in het heelal staan zwarte gaten altijd nog een trapje hoger dan neutronensterren. In een neutronenster is ongeveer evenveel materie als in de zon samengepakt tot een bal ter grootte van Amsterdam. In een zwart gat is nog veel meer materie (enkele tot miljarden zonsmassa's) zover ingestort onder invloed van de eigen zwaartekracht dat een waarnemingshorizon (event horizon) ontstaat, een grens rond het object waaruit zelfs licht niet meer kan ontsnappen. Vlak buiten die waarnemingshorizon, echter, heersen echter wat betreft druk, temperatuur en stromingssnelheden van invallend materiaal zeer extreme omstandigheden.



Ultra-relativistische jets - die zich over duizenden lichtjaren in de ruimte uit kunnen strekken - zijn de meest energierijke verschijnselen in het heelal, die dan ook worden waargenomen bij superzware zwarte gaten die bezig zijn gas, stof en wellicht complete sterren uit hun omgeving op te slokken. Dat is althans de geaccepteerde verklaring voor de langdurige, gigantische energieproductie in de actieve kern van sommige verre sterrenstelsels. Op kleinere schaal, wanneer een zwart gat ter grootte van enkele zonsmassa's ontstaat uit een supernova-explosie of wellicht door het samensmelten van twee neutronensterren, ontstaat waarschijnlijk een kort durende ultra-relativistische jet die via een aantal tussenstappen een gammaflits veroorzaakt. Er is echter nog te weinig bekend over de precieze samenstelling van zulke jets om de fysica ervan goed te kunnen begrijpen.



Het onderzoek van Fender c.s. aan Circinus X-1 kan hier wellicht meer helderheid scheppen. Circinus X-1 is een heldere en snel variabele rontgenbron, die bestaat uit een zeer compact object van een zonsmassa, die materie opslokt van een begeleidende normale ster. De pieken en dalen in de rontgenuitbarstingen, met een periode van bijna 17 dagen, zijn waarschijnlijk een gevolg van het feit dat de begeleider en de neutronenster in een sterk elliptische baan rond elkaar draaien. Op de kleinste afstand vindt de meeste massaoverdracht plaats en is Circinus X-1 op zijn helderst. Uit observaties van de rontgenstraling zelf blijkt dat het compacte object een neutronenster is.



Al in de jaren zeventig is op dezelfde plaats aan de hemel ook een sterke, snel variabele radiobron ontdekt. Deze is sindsdien in sterkte afgenomen, maar blijkt na recenter onderzoek in een uitgestrekte 'radionevel' te liggen. Binnen de contouren van deze radionevel is nu ook de ultra-relativistische jet ontdekt, die op een lijn ligt met de hoofdas van de radionevel.



Uitbarstingen van radiostraling in samenhang met relativistische jets zijn een normale eigenschap van zwarte gaten die bezig zijn invallende materie op te slokken. Zulke 'gewone' relativistische jets, met snelheden tot 99% van de lichtsnelheid, komen in ons melkwegstelsel voor bij zwarte gaten met een massa van ongeveer tien maal die van de zon. Ze zijn echter zeldzaam in het geval van neutronensterren. Door de combinatie van optische, radio- en rongen-waarnemingen aan Circinus X-1 kon de ontwikkeling van de jet en de radio-nevel vrijwel van dag tot dag gevolgd worden. Hieruit blijkt dat het materiaal in de jet met minstens 99,8 procent van de lichtsnelheid wordt uitgestoten, een absoluut record voor een neutronenster, en voor welke bron dan ook in ons eigen Melkwegstelsel. (zie *)


Circinus X-1 is daarmee het eerste voorbeeld van een ultra-relativistische jet die niet wordt uitgestoten door een superzwaar zwart gat in de kern van een ver sterrenstelsel. Dit bewijst dat zwarte gaten met hun unieke eigenschappen (met name de waarnemingshorizon) niet nodig zijn om ultrarelativistische jets te produceren, maar dat ook de minder extreme en meer voorkomende neutronensterren dit aan kunnen.



Andere teamleden zijn: Kinwah Wu (University College London, UK,) Helen Johnston (University of Sydney, Australië), Tasso Tzioumis (Australia Telescope National Facility, Australië), Peter Jonker (University of Cambridge, UK) en Ralph Spencer (University of Manchester, UK).



(*): Omdat de lichtsnelheid een absolute grens is, die alleen met een oneindig grote energie te bereiken zou zijn, hebben 'elativistische' - zeer energierijke - deeltjes en jets al gauw snelheden van 99 procent van de lichtsnelheid of meer. Hoewel het verschil tussen 99 en 99,8 procent van de lichtsnelheid onbelangrijk lijkt, komt dit overeen met een verdubbeling van de energie van de jet. Ook nemen exotische relativistische effecten zeer sterk toe bij het benaderen van de lichtsnelheid. Zo verloopt de tijd voor de deeltjes in deze jet 15 maal langzamer, gezien vanuit een 'stilstaande' waarnemer.


Figuur 2  Dezelfde gegevens als in figuur 1, maar nu in de vorm van 'verschilkaarten'. De bovenste kaarten (de referenties) zijn voor alledrie de series gelijk aan die van figuur 1. De kaarten eronder tonen het verschil tussen de referentiekaart en de ov

Figuur 2 Dezelfde gegevens als in figuur 1, maar nu in de vorm van 'verschilkaarten'. De bovenste kaarten (de referenties) zijn voor alledrie de series gelijk aan die van figuur 1. De kaarten eronder tonen het verschil tussen de referentiekaart en de ov

Figuur 1 Een ultra-relativistische jet: series radio-observaties bij 4,8 en 8,6 gigahertz, in oktober 2000, mei 2001 en december 2002 van Circinus X-1. Elk streepje aan de zijkant stelt een dag voor. Tijdens de blauwe balken zijn rontgenuitbartingen gere

Figuur 1 Een ultra-relativistische jet: series radio-observaties bij 4,8 en 8,6 gigahertz, in oktober 2000, mei 2001 en december 2002 van Circinus X-1. Elk streepje aan de zijkant stelt een dag voor. Tijdens de blauwe balken zijn rontgenuitbartingen gere