Flitsen zonder weerga - Dirk van Delft

GAMMA-UITBARSTINGEN DIEP IN DE KOSMOS GEVEN SLUIER PRIJS


Sinds hun ontdekking in 1967 zijn de gamma-uitbarstingen in het heelal met mysteries omgeven. De eerste identificatie in zichtbaar licht leverde Jan van Paradijs de Bruno Rossiprijs op.

Niemand die erom gevraagd had, niemand die ernaar op zoek was: zoals zo vaak bij fundamentele wetenschap kwam de ontdekking van de kosmische gammaflitsen volkomen onverwacht.

Het begon in 1967 met de lancering van twee Amerikaanse spionagesatellieten. Vela-1 en Vela-2 waren bedoeld om te controleren of de Russen het verbod op kernproeven in de ruimte wel respecteerden en niet stiekem toch kernbommen tot ontploffing brachten. Zo'n nucleaire explosie verraadt zich door een flits aan energierijke gammastraling die zich in het bijna-vacuüm van de ruimte over grote afstanden voortplant. Uit het tijdsverschil waarmee hij bij de twee Vela-satellieten arriveert, is via driehoeksmeting de positie van de gammabron te bepalen. Inderdaad zagen de Vela-detectoren flits na flits - alleen kwamen ze niet van Russische ruimtebommen, maar vanuit de diepte van de kosmos. Niet de Navo had een probleem, maar de astronomie.

Overigens duurde het even voor dat tot de astronomie doordrong. "Het waren ingenieurs die met die Vela-signalen bezig waren", zegt Jan van Paradijs, hoogleraar sterrenkunde aan de Universiteit van Amsterdam. "Ze hadden niet zoveel voeling met wat er uit de kosmos zou kunnen komen. Bovendien waren ze druk bezig met het bouwen van een hele trits nieuwe gammadetectoren. Niet dat het materiaal classified was, het publiceren van die signalen uit de kosmos had niet hun prioriteit. Pas in 1973 kwam het ervan."



Gammaflitsen, of Gamma Ray Bursts (GRB's), zijn met mysteries omgeven. "Het enige dat in de beginjaren met zekerheid geconcludeerd kon worden was dat ze van voorbij Jupiter kwamen en dat de zon er buiten stond", zegt Van Paradijs. "Over hun aard en oorsprong deden de wildste speculaties de ronde. Had het te maken met kometen? Kwamen ze van binnen de Melkweg of waren ze extra-galactisch? Waren het trillingen aan het oppervlak van neutronensterren of ging het om accretie van vers materiaal op zo'n compact object? Al snel waren er meer theorieën dan dat er flitsen gezien waren. Een collega kwam uit op 150 modellen."



Begin jaren negentig raakte Van Paradijs bij de speurtocht naar de flitsen betrokken. "Dat had te maken met privé-omstandigheden. Mijn echtgenote, de Griekse sterrenkundige Chryssa Kouveliotou werkt op het NASA Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama. Daar is ze betrokken bij BATSE, het Burst And Transient Source Experiment aan boord van de Amerikaanse Compton-satelliet dat speciaal voor de detectie van gammaflitsen is ontworpen. In 1993 was het haar suggestie om met de Westerbork-radiotelecoop te kijken of flitsen, waarvan de hemelpositie door het COMPTEL-instrument aan boord van de Compton-satelliet was vastgesteld, enkele dagen na detectie in het radiogebied soms zouden nagloeien. In twee gevallen hebben we metingen verricht, zonder resultaat. Wel zagen we een pulsar ongekend sterk fluctueren - als je diep naar een klein stukje hemel kijkt vind je altijd wel iets aardigs."



BATSE heeft inmiddels ruim tweeduizend gammaflitsen waargenomen. Van Paradijs: "Dat heeft belangrijke kennis opgeleverd. Zo blijkt hun duur te variëren van milliseconden tot minuten, komen ze gelijkmatig verdeeld aan de hemel voor en er is een tekort aan relatief zwakke flitsen.
Je moet je voorstellen dat wij vanuit het centrum van het gamma ray burst-heelal zo'n beetje de rand kunnen zien. BATSE liet twee afstandsschalen open: ōf de flitsen komen uit een grote halo rond ons eigen Melkwegstelsel, ōf hun oorsprong is zwaar extra-galactisch en ligt miljarden lichtjaren weg. Alles daar tussenin kan niet: de structuur in het heelal, met inbegrip van clusters en superclusters, zou in dat geval de verdeling van gammaflitsen aan de hemel tot een inhomogene maken."



De discussie tussen aanhangers van beide afstandschalen bleek vruchteloos. Van Paradijs: "Wat nodig was, waren identificaties van gammaflitsen in andere golflengtegebieden: röntgenstraling, zichtbaar licht, infraroodstraling of het radiogebied. Een aardse telescoop die een paar uur na een flits de bron ziet nagloeien, kan de positie veel nauwkeuriger vaststellen dan een gammasatelliet. En als spectraalanalyse je ook nog eens de roodverschuiving geeft, weet je hoe snel de bron van ons af beweegt, een directe maat voor de afstand."



Probleem was dat een aards observatorium snel een voldoende nauwkeurige positie van de gammaflits aangeleverd moet krijgen om in de errorbox het nagloeien te kunnen waarnemen. Van Paradijs: "BATSE levert posities niet beter dan een paar graden. Voor een radiotelescoop is dat goed genoeg maar een optische telescoop kan er niet mee uit de voeten. Een grote stap voorwaarts was de lancering in 1996 van de gammasatelliet BeppoSAX. Die heeft aan boord een Gamma Ray Monitor, twee Wide Field Camera's die een flink stuk hemelbol permanent in de gaten houden en Narrow Field-instrumenten die, nadat de satelliet een uur of wat later over 90 graden is gekanteld, het nagloeien de gammaflitser in het röntgengebied kunnen waarnemen."



Eerder - als alles vlot loopt binnen drie uur na de flits - levert BeppoSAX posities tot op enkele boogminuten nauwkeurig door aan het grondstation in Rome. Van Paradijs: "Die coördinaten stuur je dan naar de William Herschel-telescoop of, mocht daar niet de juiste afbeeldapparatuur aangekoppeld staan, naar de Isaac Newton, ook op La Palma. Met die telescopen hebben we afspraken dat we in waarnemingsprogramma's mogen inbreken. En als je acht uur later nog een opname wil, bel je naar een telescoop in Amerika waar je mensen kent. Zo'n override is nooit leuk voor een onderzoeker en je zoekt direct contact om frictie te beperken. Om het leed te verzachten bieden we het co-auteurschap aan van het wetenschappelijke artikel dat op basis van metingen-in-hun-tijd gaat verschijnen."



De vroege morgen van 28 februari 1997 was het raak. De groothoekcamera van BeppoSAX zag in het sterrebeeld Orion, halverwege -Tauri en -Orionis een gammaflitser: GRB970228. Van Paradijs, die het voorjaarsemester in Huntington doceert, belde vanuit Amerika direct zijn promovendus Titus Galama om Westerbork in te zetten. Paul Groot, eveneens promovendus, realiseerde zich dat juist op dat moment het Van Paridon-team één uur op de Herschel-telescoop (diameter: 4,2 meter) tot zijn beschikking had om de errorbox van GBR970111 te bekijken. Snel regelde Groot op La Palma het anders richten van de telescoop en 21 uur na de uitbarsting was er een opname.



Eerder was BeppoSAX over 90 graden gedraaid en was het nagloeien ook in het röntgengebied gezien. Op 8 maart maakte de Herschel-telescoop van GBR970508 opnieuw opnames. Vergelijking met het beeld van 28 februari liet zien dat een zwakke ster, waarvan de positie klopte met wat BeppoSAX had aangegeven, verder was verflauwd. Voor het eerst was in zichtbaar licht een nagloeiende flitser waargenomen. Nature publiceerde de resultaten op 17 april, december 1997 plaatste Science de vondst vijfde op de lijst van 'doorbraken van het jaar'. De American Astronomical Society bekroonde Van Paradijs (en het BeppoSAX-team) met de Bruno Rossi-prijs.

Sindsdien is het nagloeien van gammaflitsers in het hele elektromagnetische spectrum aangetroffen.



Op 8 mei 1997 volgde een tweede optische identificatie. Metingen met de Keck-telescoop op Hawaiī (met 10 meter diameter de grootste in zijn soort) leverden bij GBR970508 een roodverschuiving op van minstens 0,835. Dat plaatst deze flitser op een afstand van 7 miljard lichtjaar of meer.
Ook de Amerikaanse Very Large Array radiotelescoop zag hem, enkele weken later gevolgd door Westerbork. Van Paradijs: "In Drenthe stond de constellatie afgestemd op 21 cm-straling en langere golflengtes komen er bij het nagloeien pas later uit, daarom waren we niet de eersten. Soms zie je trouwens niks.



Op 28 augustus konden we al na drie uur het observatorium inlichten, het was op La Palma donkere maan, negen achtereenvolgende dagen hebben we gedurende een kwartier een deep image genomen, het ging om een krachtige flitser, en toch zagen we optisch niets. Misschien dat stof en gas in de host galaxy straling in het zichtbare gebied absorberen, zoals ook in onze Melkweg gebeurt. Ook kan het zijn dat de flits binnen drie uur was uitgedoofd."



Vorige week publiceerde Nature drie artikelen over GRB971214, een flitser van vorig jaar december. De roodverschuiving was deze keer 3,42, wat betekent dat deze gammaflitser afging toen het heelal eenzevende van zijn huidige leeftijd had. Gevonden is dat het zichtbare tot infrarode licht van GRB971214 verzwakt is, en naar het rood verschoven als gevolg van stof in het sterrestelsel waartoe hij behoort. Bovendien is er sprake van actieve sterformatie.



Maar wat is een gammaflitser? Van Paradijs: "Nu we weten hoe ver ze weg staan is duidelijk dat het om de krachtigste lichtbronnen in het heelal gaat. Er is evenveel energie mee gemoeid als bij een supernova-explosie, alleen zit die daar voor 99 procent in wegvliegende neutrino's. In enkele seconden komt aan gammastraling een hoeveelheid energie vrij 50 keer zoveel als de zon haar hele leven uitsraalt. Daar is niets subtiels aan. Wat precies die uitstoot aan gammastraling in gang zet, is onbekend. De populairste theorie houdt het op twee samensmeltende neutronensterren, objecten zo zwaar als de zon maar niet groter dan een paar kilometer. Wanneer ze om elkaar heen draaien, zenden ze zwaartekrachtsgolven uit en spiraliseren ze in 100 miljoen jaar naar elkaar toe.



Dit opslokken van de ene neutronenster door de andere levert potentieel voldoende vermogen, al kwam ik pas geleden een theoreticus tegen die zei dat als gevolg van eerder optredende instabiliteiten het niet in een heftige klap zou eindigen."

Ook de roodverschuiving van 3,42 bij GBR971214 levert problemen. Van Paradijs: "Dat impliceert een energiebudget groter dan bij een supernova, wat het neutronendubbelstermodel in gevaar brengt - tenzij je beaming hebt en de straling er in een gerichte bundel uitkomt. En waarom zou de hele portie in gammastraling tevoorschijn moeten komen? Ook hypernova's zijn geopperd, zware sterren waarvan de kern in een zwart gat transformeert terwijl de lagen eromheen met verschillende snelheden roteren. Maar dat vind ik eerder een cartoon dan een fysische theorie, wat ook geldt voor topologische defecten in space time."





Over de oorsprong van de gammastraling bestaat meer consensus. Van Paradijs: "Hoe de energie-input ook verloopt, de theoretische modellen convergeren naar wat we fireballs noemen. In plaats van een schil van tientallen zonsmassa's die met een snelheid van 5 ā 10 kilometer per seconde naar buiten beweegt, zoals bij een supernova, denken we bij een gammaflitser aan een miljoenste zonsmassa die met praktisch de lichtsnelheid wordt weggestoten. Als die materie tegen interstellair gas opbotst, of er treden instabiliteiten op in de uitstroming zelf, dan raken op het grensvlak elektronen tot zeer hoge energie versneld en zenden ze bij afbuiging in magneetvelden synchrotronstraling uit. Onduidelijk is of het om een jet gaat of dat het effect in alle richtingen even sterk optreedt."



Hebben gammaflitsers nut? "Dat hangt sterk af van de statistische verdeling van hun roodverschuivingen", zegt Van Paradijs. "Als de 3,42 van vorige week een uitzondering is, en verreweg de meeste zitten onder de één, dan voegen ze weinig toe. Maar stel dat hoge waarden frequent voorkomen, en je vindt dat gammaflitsers pas beginnen op te treden bij een roodverschuiving van 5, dan betekent dat dat daarmee ook dan pas stervorming begint op te treden - mits de koppeling van gammaflitsers aan gebieden met actieve sterformaties juist is. Op dat moment heb je een stuk gereedschap in handen waarmee je onontgonnen terrein kunt betreden: hoe komen melkwegstelsels tot stand, hoe vormt zich in het heelal de klontering en de structuur?"



Meer dan één override per maand kan Van Paradijs zijn collega's niet aandoen. Op experimenteel gebied ziet hij uit naar de lancering van een nieuwe HETE-röntgensatelliet (High Energy Transient Explorer, bij het eerste exemplaar ging de neuskegel van het laadruim onvoldoende open) en naar de ontwikkeling van groothoekcamera's voor het optische gebied. Van Paradijs: "Technisch kan BATSE nog minstens tien jaar mee. Optische groothoekcamera's zouden met zo'n 10 ā 20 beelden de errorbox van een door BATSE aangewezen gammaflitser kunnen doormeten. Maar laat eerst de NASA het geld neertellen om BATSE operationeel te houden, voorlopig zit Chryssa in Huntington op soft money."



BEPPOSAX

Aan boord van de Italiaans-Nederlandse BeppoSAX-satelliet bevinden zich twee groothoekcamera's om onverwachte, kortdurende gammabronnen te detecteren. Ze bestrijken 40x40 graden (7 procent van de hemelbol), wegen 42 kilo, passen in een ruimte van 1x1x0,5 m, hebben een energieverbruik van 14 watt en kunnen maximaal 52 kilobits per seconde naar het grondstation in Rome sturen. De baan van BeppoSAX loopt bijna over de evenaar, met een omloopstijd van 1,5 uur. De werking van de gamma-groothoekcamera berust op het principe van de camera obscura, met dit verschil dat er niet één gaatje is maar een masker met 20.000 open en 40.000 gesloten elementen van elk 1x1 mm. De gaatjes zijn geëtst in een roestvrijstalen plaat van 0,1 millimeter dik. Het hemelobject, dat veelvoudig op de detector (510x510 pixels) is afgebeeld, komt na een decodeer-procedure (waarbij de computer de gemeten afbeelding en het gaatjespatroon krijgt aangeboden) tevoorschijn met een positie tot op enkele boogminuten nauwkeurig. De schaduwmaskercamera's zijn door de SRON in Utrecht (Stichting Ruimteonderzoek Nederland) onder leiding van Rieks Jager ontwikkeld gebouwd. Een eerdere versie ging in 1987 mee met de Kvant-1-module van het Russische ruimtestation Mir en functioneert nog steeds.







Datum: 16-05-1998

Sectie: Wetenschap en Onderwijs

Pagina: 3

Onderschrift: Foto: Prof.dr. J.A. van Paradijs

Persoon: Jan Van Paradijs

Op dit artikel rust auteursrecht van NRC Handelsblad BV, respectievelijk van de oorspronkelijke auteur.