Hemelse bromtol vermist – extreme zwaartekrachtseffecten gemeten in dubbele neutronenster

Dwingeloo, 8 januari 2015

Astronomen hebben de kromming van de ruimtetijd gemeten in een dubbelster en daaruit de massa bepaald van een neutronenster – vlak voor die verdween. Zulke massabepalingen zijn essentieel voor een beter begrip van de zwaartekracht. Dat is de lijm die tijd en ruimte verbindt, en ons heelal van klein tot groot bij elkaar houdt. De resultaten verschijnen in The Astrophysical Journal, en worden gepresenteerd op de 225ste bijeenkomst van de American Astronomical Society in Seattle (VS), beide op donderdag 8 januari 2015.

“Het is ontzettend moeilijk sterren te wegen. Ze zweven namelijk vrij door de ruimte,” zegt Joeri van Leeuwen, sterrenkundige bij het Nederlands instituut voor radioastronomie ASTRON, en de Universiteit van Amsterdam. “Maar door nu heel precies de onderlinge aantrekking in een dubbelster te volgen, is het toch gelukt. En net op tijd, want door diezelfde zwaartekracht is het systeem nu uit beeld verdwenen.”

Een internationaal team sterrenkundigen onder leiding van Van Leeuwen heeft de massa’s bepaald van beide sterren in het relativistische dubbelstersysteem PSR J1906+0746 (J1906). Eén van die sterren is een pulsar, een rondtollende neutronenster. Net als bij een vuurtoren zwiepen de radiobundels van die pulsar 7 maal per seconde over de aarde. De pulsar draait om een andere neutronenster — of misschien om een witte dwergster. Waar de aarde een jaar over één omloop rond de zon doet, beschrijft de pulsar in vier uur een baan om zijn begeleider.

Slechts in een handjevol dubbele neutronensterren zijn massa’s bepaald, en J1906 blijkt daarvan verreweg de jongste. Normale pulsars maken ongeveer 10 miljoen jaar lang radiostraling, waarna ze uitdoven. Aangezien J1906 slechts 100.000 jaar geleden in een supernova ontstond, is de invloed van die sterexplosie op de dubbelster nog goed zichtbaar.

De pulsar is in 2004 door Van Leeuwen en collega’s ontdekt met Arecibo, de grootste radioschotel ter wereld. Sindsdien wordt de pulsar bijna dagelijks gevolgd met de vijf grootste radiotelescopen op aarde: in Arecibo (VS), Green Bank (VS), Nançay (Frankrijk), Jodrell Bank (VK), en Westerbork (Drenthe, Nederland). De Westerbork Synthese Radio Telescoop van ASTRON heeft de mogelijkheid alle 14 schotels samen te voegen om daarmee de radioflitsen van de pulsar heel precies te meten. Door de pulsar vijf jaar lang intensief te bewaken, konden de onderzoekers exact de tel bijhouden van elke flits van deze kosmische vuurtoren – meer dan een miljard in totaal.

“Door de bewegingen van de pulsar in de baan om zijn begeleider heel accuraat in kaart te brengen, lukte het de zwaartekrachtsinteractie tussen deze twee zeer compacte sterren met ongelofelijke precisie te meten,” zegt coauteur Gemma Janssen (ASTRON), verantwoordelijk voor de Westerbork-metingen. “Deze sterren wegen allebei meer dan onze eigen zon, maar staan toch 100 keer dichter bij elkaar dan de zon en de aarde. De gigantische onderlinge zwaartekracht veroorzaakt bijzondere effecten.”

Eén daarvan is zogenaamde geodetische precessie. Een bromtol die op gang is, gaat niet alleen draaien maar ook schommelen. De Nederlander Willem de Sitter voorspelde in 1916 al dat volgens de algemene relativiteitstheorie ook neutronsterren moeten gaan schommelen in het zwaartekrachtsveld van een nabije begeleider. De neutronenster reist continue door een gekromde ruimtetijd, en dat zou de rotatieas moeten kantelen.

De sterrenkundigen hebben deze geodetische precessie nu gemeten in pulsar J1906. Doordat de ruimtetijd rond de begeleider is gekromd, is iedere omloop ongeveer 1 miljoenste korter dan wanneer de ruimtetijd vlak was geweest. Tijdens ieder jaar waarnemen vanaf de aarde kantelt de as van de pulsar met 2,2 graden.

“Door het immense zwaartekrachtsveld is de pulsar nu zelfs zover gekanteld dat de bundels van radiostraling de aarde niet langer raken,“ zegt Van Leeuwen. “De pulsar is zelfs met de allergrootste telescoop al vrijwel niet meer te zien. Dit is de eerste keer dat we zo’n jonge pulsar door deze schommelingen zien verdwijnen. De kanteling gaat door, waardoor de bundels in de toekomst weer vanaf de aarde te zien zijn. Maar dat duurt waarschijnlijk nog 160 jaar.”