Botsende neutronensterren kunnen nu nauwkeuriger bestudeerd worden

Een nieuwe methode om de signalen te analyseren die samensmeltende neutronensterren uitzenden, helpt onderzoekers gegevens te verzamelen via meerdere kanalen tegelijk. De methode is ontwikkeld door een internationaal team van wetenschappers, waaronder het Institute for Gravitational and Subatomic Physics (GRASP) van de Universiteit Utrecht en Nikhef. Door gelijktijdig de uitgezonden zwaartekrachtsgolven van de neutronensterfusie, de kilonova en de nagloed van de gammaflits te analyseren, werd het mogelijk om voor het eerst het merendeel van de waarneembare signalen van de fusie te modelleren en interpreteren. De onderzoeksresultaten werden vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Nature Communications.

Extreme omstandigheden in een kosmisch laboratorium

Een neutronenster is een superzwaar astrofysisch object dat ontstaat aan het einde van het leven van een massieve ster in een supernova-explosie. Sommige neutronensterren draaien om elkaar heen in binaire systemen. Ze verliezen energie door de constante uitstoot van zwaartekrachtsgolven – kleine rimpelingen in de structuur van de ruimtetijd – en uiteindelijk botsen ze. Bij deze botsingen komt een grote hoeveelheid energie vrij. Ook leiden ze tot de vorming van zware elementen, zoals goud. Het samensmelten van neutronensterren stelt onderzoekers in staat om natuurkundige principes te bestuderen onder de meest extreme omstandigheden in het heelal.

Verschillende signalen

Tot nu toe is slechts één multi-messenger waarneming van een binaire neutronenster vastgelegd. Bij zo’n multi-messenger waarneming worden verschillende sterrenkundige signalen gemeten, zoals elektromagnetische straling, zwaartekrachtgolven en kosmische straling, die allemaal andere informatie geven over hun bron.

Bij deze gebeurtenis, ontdekt op 17 augustus 2017, hadden de laatste paar duizend omwentelingen van de twee neutronensterren de ruimtetijd op zo’n manier vervormd, dat ze zwaartekrachtsgolven creëerden. Deze werden gedetecteerd door de LIGO- en Virgo-detectoren in de VS en Italië. Ook werden er nieuwe chemische elementen uitgestoten en kwamen röntgen- en radio-emissies vrij, die konden worden waargenomen op tijdschalen variërend van dagen tot jaren. Sommige elementen vervielen radioactief, waardoor de temperatuur steeg en er tot twee weken na de botsing een elektromagnetisch signaal in het optische, infrarode en ultraviolette bereik kon worden waargenomen. Een gammaflits, ook veroorzaakt door de samensmelting van neutronensterren, stootte extra materiaal uit.

Nauwkeurigere resultaten

De onderzoekers ontwikkelden een codestructuur waarmee ze sterrenkundige gegevens van verschillende bronnen tegelijkertijd kunnen analyseren en interpreteren. Bovendien helpt de nieuwe tool om aanvullende informatie op te nemen van radio- en röntgenwaarnemingen van neutronensterren (bijvoorbeeld van NASA’s NICER-telescoop), van berekeningen in de kernfysica en zelfs van botsingen van zware ionen in versnellers op aarde. "Onze nieuwe methode zal helpen om de eigenschappen van materie bij extreme dichtheden te analyseren en stelt ons in staat het uitdijende heelal beter te begrijpen. Ook kunnen we meer leren over zware elementen die worden gevormd tijdens het samensmelten van neutronensterren," vertelt Tim Dietrich, leider van een Max Planck Fellow-groep aan het Max Planck Institute for Gravitational Physics.

Toekomstige waarnemingen

De nieuwe techniek vormt de basis voor het analyseren van toekomstige gebeurtenissen. "We kunnen nu nauwkeurigere resultaten krijgen door coherent en gelijktijdig te analyseren. Het gebruikelijke, stapsgewijze combinatieproces is nu verleden tijd," zegt Peter T. H. Pang van GRASP (Universiteit Utrecht en Nikhef), die de hoofdontwikkelaar van de code is en tevens eerste auteur van het artikel.

De zwaartekrachtgolf-detectoren bevinden zich momenteel in hun vierde observatierun en de onderzoekers staan klaar om de door hen ontwikkelde tool te gebruiken voor de volgende detectie van een neutronensterrenbotsing, die elk moment kan plaatsvinden.