Astronomen hebben ESO’s Very Large Telescope en een aantal radiotelescopen elders ter wereld gebruikt om een bizar stellair duo op te sporen en te onderzoeken. Het om elkaar heen draaiende tweetal bestaat uit de zwaarste neutronenster die tot nu toe is opgespoord en een witte dwergster. Dankzij deze vreemde nieuwe dubbelster kan Einsteins zwaartekrachtstheorie – de algemene relativiteitstheorie – sterker op de proef worden gesteld dan tot nu toe mogelijk was. Tot nu toe komen de waarnemingen exact overeen met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie en zijn zij in strijd met die van enkele alternatieve theorieën. De resultaten zullen op 26 april 2013 in het tijdschrift Science verschijnen.
Het team, met onder anderen Joeri van Leeuwen (UvA, ASTRON), Jason Hessels (UvA, ASTRON) en Vlad Kondratiev (ASTRON) heeft een bijzonder object ontdekt: een piepkleine, maar ongewoon zware neutronenster die 25 keer per seconde om zijn as tolt, waar eens in de tweeënhalf uur een witte dwergster omheen wentelt. De neutronenster is een pulsar die radiogolven uitzendt die met radiotelescopen op aarde kunnen worden ontvangen. Hoewel dit exotische duo op zichzelf al heel interessant is, is het ook een uniek laboratorium voor het toetsen van natuurkundige theorieën.
De pulsar, die PSR J0348+0432 heet, is het overblijfsel van een supernova-explosie. Hij is tweemaal zo zwaar als de zon, maar slechts twintig kilometer groot. De zwaartekracht aan zijn oppervlak is meer dan 300 miljard keer zo sterk als die op aarde, en de materie in zijn kern is zo sterk samengeperst dat een stukje ter grootte van een suikerklontje meer dan een miljard ton weegt. De begeleidende witte dwerg is al bijna net zo exotisch: het betreft het gloeiende overblijfsel van een veel minder zware ster die zijn atmosfeer heeft afgestoten en langzaam afkoelt.
“Ik nam dit stelsel waar met ESO’s Very Large Telescope, om te zoeken naar veranderingen in het licht van de witte dwerg die het gevolg zijn van zijn beweging om de pulsar”, zegt John Antoniadis, promovendus aan het Max-Planck Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn en eerste auteur van het artikel. “Een snelle analyse leerde me dat de pulsar nogal een zwaargewicht is. Hij heeft twee keer zoveel massa als de zon en is daarmee niet alleen de zwaarste neutronenster die we kennen, maar ook een uitstekend fysisch laboratorium.”
Einsteins algemene relativiteitstheorie, die de zwaartekracht verklaart als een gevolg van de kromming van de ruimtetijd door de aanwezigheid van massa en energie, heeft sinds haar publicatie, bijna een eeuw geleden, alle tests doorstaan. Maar zij kan niet de definitieve verklaring zijn en zal op enig moment tekortschieten.
Natuurkundigen hebben diverse alternatieve zwaartekrachtstheorieën ontwikkeld die andere voorspellingen doen dan de algemene relativiteitstheorie. Voor sommige van deze theorieën zouden deze verschillen alleen tot uiting komen in extreem sterke zwaartekrachtsvelden die nergens in ons zonnestelsel te vinden zijn. Qua zwaartekracht is PSR J0348+0432 werkelijk een extreem object, zelfs in vergelijking met andere pulsars die zijn gebruikt om Einsteins algemene relativiteitstheorie nauwkeurig op de proef te stellen. In zulke sterke zwaartekrachtsvelden kan een kleine toename van de massa tot grote veranderingen in de ruimtetijd rond zulke objecten leiden. Tot nu toe hadden astronomen geen idee wat er zou gebeuren bij een zware neutronenster als PSR J0348+0432. Dit object biedt dus de unieke mogelijkheid om de algemene relativiteitstheorie strenger te toetsen dan tot nu toe mogelijk was.
Het team heeft waarnemingen van de witte dwerg met de Very Large Telescope gecombineerd met een zeer nauwkeurige timing van de pulsar met radiotelescopen. Zo’n compacte dubbelster zendt zwaartekrachtsgolven uit en verliest daardoor energie. Dit leidt ertoe dat de afstand tussen de beide objecten heel langzaam kleiner wordt en hun omlooptijd afneemt. De algemene relativiteitstheorie en de alternatieve theorieën doen verschillende voorspellingen voor die afneming.
Coauteur Joeri van Leeuwen: "Dit is de eerste keer dat een superzware neutronenster zo dicht bij een witte dwergster gevonden is; door de heel precieze radiowaarnemingen hebben we met 14 cijfers achter de komma kunnen meten dat Einsteins theorie ook voor deze zware jongen exact klopt”.
En dit is nog maar het begin van het nauwkeurige onderzoek van dit unieke object: mettertijd zullen astronomen J0348+0432 gebruiken om de algemene relativiteitstheorie nog sterker op de proef te stellen.
Meer afbeeldingen en video's op de Nederlandstalige ESO-website