Een neutronenster is de massa van een complete ster, samengebald in een bol van tien tot vijftien kilometer doorsnede. Neutronensterren vormen zich, als de massa van een opgebrande ster tussen de 1,44 en (dit is onzeker) drie tot vijf zonsmassa’s of meer in ligt: volgens sommige hypothesen kunnen zich bij hogere massa’s nog quarksterren vormen. Een vrij nauwe massabegrenzing dus. De kans is dan ook niet heel groot, dat twee neutronensterren voortkomen uit een dubbelster.
Botsende neutronensterren in een artist impression. In werkelijkheid zijn neutronensterren zeer heet, waardoor ze waarschijnlijk wit opgloeien. Bron: Harvard.edu
Toch komt dit geregeld voor, door het enorme aantal sterren in alleen al ons Melkwegstelsel. De uiteindelijke crash van twee opgebrande sterren levert een korte gammaflits (SGRB) op en is één van de gewelddadigste verschijnselen in het universum, die volgens bepaalde theorieën verantwoordelijk is voor het ontstaan van zware elementen als goud en uranium[1]. In onderstaande video een met een supercomputer gemaakte simulatie van een dergelijke botsing.
Op de middelbare school heb je geleerd dat er drie typen atoombinding bestaan: covalente binding, ionbinding en metaalbinding. Ook kunnen atomen nog aan elkaar kleven door waterstofbruggen of zwakkere Van der Waals-krachten, de reden dat water vloeibaar is. Dit blijkt echter slechts het topje van de ijsberg van mogelijke vormen van atoombindingen, wijst nieuw onderzoek uit. In de sterke magneetvelden rond neutronensterren komt er namelijk een bizarre magneetbinding voor. Kunnen we hier met telescopen sporen van ontdekken?
Zou zich bij de pulsar in het centrum van de Krabnevel magnetische materie schuilhouden? Bron: NASA
Magnetische moleculen
De op aarde bekende vormen van atoombinding zijn elektrisch van karakter. Bij ionbindingen trekken positief en negatief geladen groepen elkaar aan. Bij covalente bindingen vormen elektronen van verschillende atomen paren om zo de elektronenschil rond het atoom op te vullen. Uit theoretisch onderzoek blijkt nu echter dat er nog een derde type atoombinding mogelijk is: een magnetische binding, die andee moleculen oplevert dan we op aarde kennen. Op aarde kunnen we de extreme magneetvelden die hiervoor nodig zijn niet opwekken, maar sporen van hun licht kunnen we wel opvangen. Hun unieke spectrale handtekening geeft zo een redelijk valide bewijs voor hun bestaan. Al eerder was bekend dat zich een zwakke magnetische band kan vormen als het molecuul parallel aan de magnetische veldlijnen staat. In een nieuwe ontdekking stelde de groep vast, dat er een nog vee; sterkere magneetbinding mogelijk is als het molecuul dwars op het magneetveld staat. het model doet slechts een zeer klein aantal aannames, dus de kans is vrij groot dat deze magnetische moleculen zich werkelijk in de magneetvelden van neutronensterren schuilhouden. Heel opmerkelijk: zelfs helium, het extreemste edelgas dat we kennen dat werkelijk met geen enkel ander atoom reageert, blijkt een sterke magnetische binding te kunnen vormen.
Tienduizenden tesla
De moleculen vormen zich alleen in omstandigheden dat de magneetvelden duizenden malen sterker zijn dan we hier op aarde kunnen bereiken. Op aarde staat het record voor een langdurig magneetveld op veertig tesla. De sterkste permanente magneten bereiken op korte afstand ongeveer 1 tesla. Rond witte dwergsterren zijn de magnetische velden vele tienduizenden tesla, rond neutronensterren zelfs miljoenen tesla. In hun berekeningen gebruikte de groep de full configuration-interaction (FCI) rekenmethode, een nogal gecompliceerde, numerieke methode om de allesbeheersende Schrödingervergelijking op te lossen. Op deze manier komen alle mogelijke bindingsmogelijkheden boven water. Ze richtten zich op waterstof om twee goede redenen. Waterstof komt zeer veel voor en het is een zeer eenvoudig atoom: protium, de vorm waarin vrijwel alle waterstof voorkomt, bestaat uit één elektron en een proton.Bij lagere temperaturen en de afwezigheid van sterke magneetvelden vormt waterstof tweeatomige moleculen: H2, waarbij de twee elektronen worden gedeeld. Rond neutronensterren is het hiervoor veel te heet. Uit de FCI analyse blijkt dat de extreem sterke magneetveklden de elektronenwolken zo vervormen dat deze magnetisch worden: paramagnetisme. Gewoonlijk is paramagnetisme zwak, maar door de extreem sterke magneetvelden wordt het effect zeer sterk. Het gevolg hiervan was dat de waterstofatomen alsnog H2 moleculen vormden, echter niet door elektronen te delen, maar door magnetische aantrekking. Dit effect treedt ook op in helium. Zowel de waterstof- als heliummoleculen vielen uit elkaar zodra het magneetveld uitgeschakeld werd.
Spectrum van magnetische moleculen
Ieder molecuul heeft bepaalde frequenties waarop het elektromagnetische straling uitzendt of opvangt. Zo zie je twee felle gele lijnen als je het licht van natriumdamp door een prisma breekt. Door de unieke eigenschappen van magnetische waterstof- en heliummoleculen bieden deze sterk afwijkende spectraallijnen. Als deze magnetische moleculen inderdaad in voldoend grote hoeveelheden voorkomen in de atmosfeer van witte dwergsterren en neutronensterren, moeten sporen daarvan zichtbaar zijn. Ook kunnen zeer kortdurende gepulste magneetvelden worden opgewekt, bijvoorbeeld door een magnetische spoel waar veel stroom doorheen loopt, op te blazen. De onderzoekers hopen dat ze op die manier toch magnetische moleculen kunnen fabriceren.
