9 april 2005 NRC

Flits van de eeuw - George Beekman
ASTRONOMEN REGISTREREN DE STERKSTE GAMMAFLITS

Een magnetische beving op een zeer compacte neutronenster leidde eind december tot een reuzenflits van gammastraling. Gelukkig kwam hij van ver.

AFGELOPEN 27 december werden meer dan twintig satellieten en ruimtesondes verblind door een flits van gammastraling uit het heelal. De flits was honderd maal zo helder als de helderste die ooit aan de hemel was waargenomen. Had hij uit licht bestaan, dan zou hij helderder dan de volle maan zijn geweest. De oorzaak: een beving op een exotisch sterretje van slechts 20 kilometer diameter op enkele tienduizenden lichtjaren van de aarde. Nog nooit eerder hebben astronomen de uitwerking daarvan zo'n gedetailleerd kunnen waarnemen. Een tiental artikelen over deze `flits van de eeuw' ligt gereed voor publicatie in onder andere Nature, Astrophysical Journal en Astronomy , Astrophysics.

Omdat de ruimtevaartuigen zich op verschillende punten rond de aarde en in het zonnestelsel bevonden (tot aan Saturnus toe), zagen zij de flits op verschillende tijdstippen. Uit deze verschillen kon via driehoeksmeting de richting van herkomst c.q. de positie aan de hemel worden bepaald. De gammastraling bleek afkomstig van SGR 1806-20, een zogeheten Soft Gamma Repeater op een afstand van 40.000 tot 50.000 lichtjaar. Deze bron dankt zijn naam aan het feit dat hij in zijn actieve perioden, die weken tot maanden duren, `zachte', laag-energetische gammaflitsen uitzendt en zich dan weer jarenlang stilhoudt.

SRG's zijn de meest fascinerende manifestaties van neutronensterren, van de zeer compacte, uit neutronen bestaande objecten van ongeveer 20 kilometer diameter die een extreem sterk magnetisch veld hebben. Er zijn miljoenen neutronensterren, maar van een dozijn is het magnetische veld nog een factor duizend sterker. Zulke veldsterkten, eem miljoen keer een miljard keer dat van het magnetische veld van de aarde, zijn nergens anders in het heelal te vinden. Vier van deze magnetars, ontdekt sinds 1979, zenden af en toe stoten gammastraling uit en bij twee van hen heeft men éénmaal een gammaflits waargenomen die duizend maal zo sterk was als normaal. Zulke reuzenflitsen zijn dus uiterst zeldzaam.

röntgenstraling

De gammaflits van 27 december was de eerste reuzenflits van SGR 1806-20, maar hij kwam niet onverwacht. Satellietwaarnemingen hadden al laten zien dat de activiteit van de kleinere flitsen aan het toenemen was en dat de permanente röntgenstraling van deze bron `harder' (kortgolviger) was geworden. Op 5 oktober werden binnen enkele minuten twee series gammaflitsjes waargenomen, iets wat men bij een andere bron (SGR 1900+14) 89 dagen vóór diens reuzenflits op 27 augustus 1998 ook had waargenomen. Toeval of niet, 83 dagen later gaf ook SGR 1806-20 zijn eerste reuzenflits af.

De verblindende gammaflits van 27 december duurde slechts 0,2 seconde, maar werd gevolgd door een `staart' van röntgenstraling die ongeveer 7 minuten duurde. Hierin werd een variatie met een periode van 7,6 seconde gevonden: de rotatatietijd van de neutronenster. Bovendien zag de Europese gammasatelliet Integral bijna 3 seconden na de hoofdflits een zwakker flitsje dat eveneens 0,2 seconde duurde. Dat was de gammastraling die via het maanoppervlak naar de satelliet was gekaatst. Ook de Russische gammasatelliet Coronas-F, die de hoofdflits niet kon waarnemen omdat de aarde in de weg stond, detecteerde zo'n echo van de maan. Het is voor het eerst dat zo'n reflectie bij gammastraling is waargenomen.

De gammaflits was zelfs zo sterk dat hij de aardatmosfeer beïnvloedde. De ionosfeer was op hoogten tussen 60 en 90 kilometer minutenlang sterker geïoniseerd dan de ultraviolette straling van de zon tot stand brengt. Dit effect was van invloed op de voortplanting van radiogolven. Radio-ontvangers signaleerden vijf minuten lang een verandering in de signaalsterkte van zenders die op golflengten van 10 tot 15 kilometer, dus in de LF- en VLF-band, uitzenden. Als de gammaflits veel dichter bij de aarde had plaatsgevonden, zou hij een niet ongevaarlijke verstoring van de ionosfeer hebben veroorzaakt. De meest nabije magnetische ster staat echter op een veilige afstand van 13.000 lichtjaar.

vuurbal
De reuzenflits van 27 december had veel gemeen met de eerdere reuzenflits van twee andere bronnen, in 1979 en 1998, maar was honderd maal zo ster
k. De astronomen hebben berekend dat bij deze neutronenster in een kwart seconde ongeveer 10 (een één met veertig nullen) joule aan energie vrijkwam, evenveel als de zon in een kwart miljoen jaar produceert. Ook zou een miljardste deel van de massa van de neutronenster, ongeveer 10 ton, de ruimte in zijn geslingerd. Het nagloeien van de hierdoor ontstane vuurbal, die met een snelheid van een derde van die van het licht uitdijde, kon wekenlang met radiotelescopen op aarde - waaronder die in Westerbork - worden waargenomen. Sommige waarnemers hebben uit de kenmerken van deze vuurbal afgeleid dat de betreffende ster op een wat kleinere afstand zou moeten en dat de energieproductie dus wat geringer was dan berekend voor een afstand van 40 tot 50.000 lichtjaar.

Astronomen denken dat de zwakkere, frequenter voorkomende gammaflitsen ontstaan door een soort `bevingen' in de buitenste laag van de neutronenster, samenhangend met een herschikking van magnetische veldlijnen, zoals bij een ultra-krachtige zonnevlam. De zeldzame reuzenvlammen zouden dan het gevolg kunnen zijn van een catastrofale verstoring van het gehele magnetische veld, dus van een grote verstoring in de vaste structuur van de neutronenster. Aangezien zo'n verstoring in sterke mate wordt tegengewerkt door de uiterst stabiele gelaagdheid van de neutronenster, moet er dan heel veel energie in het spel zijn. Dit verklaart wellicht het zeldzame karakter van de reuzenvlammen, maar in feite weten astronomen nog maar weinig van de details van dit mechanisme af.

Misschien kan de reuzenflits een van de raadsels in de moderne sterrenkunde oplossen. Als de flits op veel grotere afstand, in een ander sterrenstelsel, had plaatsgevonden, was hij niet te onderscheiden geweest van een gewone, klassieke gamma ray burst (GRB). Dat is een veel langer durende stoot hoog-energetische gammastraling die in verband wordt gebracht met ineenstortende sterren en botsende neutronensterren of zwarte gaten. Er is een klasse zeer kortdurende gamma-uitbarstingen waarvan men de herkomst nog niet heeft kunnen vaststellen. Zij duren zo kort dat er geen tijd is om ze met telescopen op aarde te bestuderen. Misschien zal blijken dat deze subgroep deels moet worden toegeschreven aan reuzenvlammen op extreem magnetische neutronensterren.

Foto-onderschrift:

Impressie van een magnetar, een ster van slechts 20 kilometer diameter waarin het sterkste magnetische veld in het heelal ligt verankerd. FOTO