pulsar

Deze röntgenopname van de Krabnevel laat duidelijk de verborgen pulsar zien.

‘Bron raadselachtige hoogenergetische deeltjes opgehelderd’

Al eerder beschreven we raadselachtige extreem energierijke deeltjes, die astrofysici al decennia lang voor een raadsel stellen. De boosdoener is nu naar het lijkt opgehelderd. Opmerkelijk gaat het om een relatief licht object.

Deze röntgenopname van de Krabnevel laat duidelijk de verborgen pulsar zien.
Deze röntgenopname van de Krabnevel laat duidelijk de verborgen pulsar zien.

Babypulsars
Babypulsars kunnen zwermen extreem energierijke deeltjes uitzenden, wat een verklaring biedt voor de extreem krachtige kosmische straling die de aarde treft. Geladen deeltjes met een energie van meer dan 1019 electronvolts treffen onze atmosfeer van tijd tot tijd. Sinds 2008 zijn er 5000 gedetecteerd door het Auger observatorium in Argentinië. Hun bron is tot nu toe een raadsel. Sommigen denken dat pulsars – neutronensterren met een sterk magnetisch veld – verantwoordelijk zijn, maar dergelijke deeltjes zullen niet in staat zijn door de dichte nevel heen te dringen, die een geëxplodeerde ster, de voorganger van een pulsar, om zich heen heeft verspreid.

Volgens astrofysicus Ke Fang en zijn collega’s van de universiteit van Chicago blijft uit hun computermodel dat deze deeltjes kunnen ontsnappen gedurende het eerste jaar waarin de pulsar bestaat. Gedurende deze tijd draait de pulsar nog steeds snel genoeg om zijn as om deeltjes met extreem hoge energie weg te schieten. Tegelijkertijd is de nevel rond de supernova genoeg uitgedund om de deeltjes in staat te stellen te ontsnappen. Kortom: de energierijkste deeltjes kunnen afkomstig zijn van de kleinste sterren,’ aldus Fang.

IJzerkernen
Als pulsars inderdaad de bron zijn van de deeltjes, verklaart dit een raadselachtige ontdekking van Auger. In tegenstelling tot kosmische straling met lagere energie, bestaat extreem zware kosmische deeltjes uit de kernen van zware atomen, zoals ijzer. Pulsars bestaan uit zeer dicht opeengepakte neutronen. Dicht bij de oppervlakte kunnen atoomkernen nog hun identiteit behouden. IJzer en nikkel vormen de atoomkernen met de laagste energie en zijn daarom het eindproduct van kernfusie in zeer zware sterren (nog zwaardere atoomkernen, zoals koper en uranium, kosten energie om te maken, waardoor de ster ineenstort). Om die reden denken astronomen dat de buitenste lagen van neutronensterren uit ijzer bestaan. Dit verklaart ook de extreem hoge energie.

IJzerkernen bevatten 26 (positief geladen) protonen, plus de nodige neutronen. Om die reden krijgt door de rotatie van het magneetveld een ijzerkern 26 maal zo veel energie mee als een enkel proton.  Pulsars zijn hiermee een logische plaats om de oorsprong van de deeltjes te zoeken. Pulsars behoren ook tot de energierijkste verschijnselen in het heelal.

Wachten op supernova vlakbij
Auger detecteert kosmische straling niet direct, maar meet de “douche” aan radioactieve vervalproducten die ontstaat als een extreem energierijk kosmisch deeltje in de atmosfeer inslaat. Het is dus ook mogelijk dat door een nog onbekend proces de signalen die opgepikt zijn niet afkomstig zijn van ijzerkernen maar van andere deeltjes, die hun energie omzetten in massa, waaruit ijzerkernen ontstaan.
Pas als zich een pulsar ‘vlakbij’ vormt (op hooguit tienduizenden lichtjaren afstand, binnen ons melkwegstelsel dus) kunnen we dit rechtstreeks waarnemen.

De kosmische straling met de hoogste energie lijkt homogeen verspreid over de hemel en is, zo lijkt het, dus niet afkomstig van ons Melkwegstelsel. Ook zijn ze waarschijnlijk afgebogen door kosmische magneetvelden, wat het onmogelijk maakt iets over hun oorsprong te zeggen. Als er echter een supernova explodeert in onze Melkweg waarbij een pulsar ontstaat, zou dit dichtbij genoeg zijn om Auger in staat te stellen kosmische straling die afkomstig is van de pulsar te detecteren. Het bombardement met ijzerkernen is dan beslist niet te missen.

The Birth of Black Hole&Neutron Star

Lees ook
`Krabnevel krachtigste energiebron in universum`

Bron:
Ke Fang et al., Newly-born pulsars as sources of ultrahigh energy cosmic rays, Arxiv, 2012

De accretieschijf rond de pulsar in de Krabnevel is duidelijk te zien.

‘Pulsar is gigantische permanente magneet’

Verschillende onopgeloste problemen worden in één klap opgelost door aan te nemen dat pulsars, ingestorte sterren met een extreem sterk magneetveld, nog meer bizar zijn dan we tot nu toe dachten.

Kubieke meter magneetveld bevat meer energie dan de mensheid ooit heeft geproduceerd
Pulsars zijn ronddraaiende neutronensterren – de resten van zware ‘uitgebrande’ sterren die voornamelijk uit dicht opeengepakte neutronen staan. In een bol van twintig tot dertig kilometer diameter bevindt zich meerdere malen de complete massa van een ster als de zon. We kunnen pulsars waarnemen door hun extreem snelle draaiing en zeer sterke magnetische velden. Per kubieke meter bevat dit magneetveld meer energie dan de mensheid in zijn hele geschiedenis heeft opgewekt. Dit magneetveld heeft een andere richting dan de draairichting van de ster, waardoor voortdurend een bundel radio- of röntgenstraling afkomstig van een van de magnetische polen, over de aarde zwiept. Althans: bij de pulsars die we waar kunnen nemen.

De accretieschijf rond de pulsar in de Krabnevel is duidelijk te zien.
De accretieschijf rond de pulsar in de Krabnevel is duidelijk te zien.

Bestaande theorieën verklaren niet waarom neutronenster zo een sterk magnetisch veld heeft
Wat uiteraard de vraag openlaat: waar komt dat extreem sterke magneetveld van een biljoen tesla vandaan? Om een indruk te geven: dat is vele miljarden maal zo sterk als zelfs het allersterkste magneetveld ooit door de mens opgewekt. Tot nu toe werd gedacht dat het werd opgewekt door stromende geladen deeltjes als gevolg van de extreem snelle rotatie van de pulsar. Deze geladen deeltjes moeten zich gedragen als een supervloeistof en dus zonder weerstand stromen. Er is alleen een probleem met deze theorie: uiteindelijk gaat een dergelijke stroom zich gelijkrichten met de rotatie. De magnetische polen vallen dan samen met de echte polen en dan blijft de zwiepende bundel voor altijd stilstaan. Zoals we weten is dat onzin. Ook zijn supergeleidende stromen zeer onstabiel terwijl pulsars juist extreem nauwkeurig zijn. Een andere theorie is dat het magnetische veld van de ster wordt geconcentreerd in de zeer kleine neutronenster. Ook dit wekt problemen op: de sterkste pulsars hebben een veld van een biljoen tesla, veel meer dan dit proces kan verklaren. Ook verdwijnt het grootste deel van het magnetische veld met de enorme sterontploffing die de pulsar vormt.

Permanente neutromagneten
Twee Zweedse fysici, Johan Hansson en Anna Ponga van de technische universiteit van LuleÃ¥, hebben een slimme uitweg uit dit heikele probleem gevonden. Magneetvelden worden gevormd door stromende elektrische ladingen, maar ook door natuurlijke magneetjes, zoals ijzeratomen in een staafmagneet, op één lijn te krijgen.  Dit is volgens het tweetal precies wat er in neutronensterren gebeurt. Als een neutronenster zich vormt, worden neutronen – elk een minuscuul magneetje – gelijkgericht omdat dat de toestand van minste energie is. Als de neutronen eenmaal een bepaalde configuratie hebben gekregen, blijft het magnetische veld ook in stand. Elke afwijking betekent energieverlies. Dit maakt neutronensterren gigantische permanente magneten: neutromagneten.

Neutromagneet versterkt zichzelf
Een neutromagneet is erg stabiel, net als een ferromagneet (vrijwel alle permanente magneten die we kennen). Het veld zal zich richten naar het oorspronkelijke, veel zwakkere, magnetische veld van de ster. Dit veld wordt hierdoor extreem versterkt, ongeveer zoals ijzer in een spoel het opgewekte magneetveld enorm versterkt. Heel interessant is dat dit niet in dezelfde richting hoeft als de draaias. In grote lijnen hebben neutronensterren een vergelijkbare massa – ze vormen een vrij nauwe overgang tussen witte-dwergsterren en zwarte gaten. Om die reden konden Hansson and Ponga berekenen wat de maximum veldsterkte is van de velden die ze kunnen genereren. Deze maximumsterkte blijkt rond de biljoen tesla te liggen, precies de al genoemde maximale waargenomen sterkte. Dit lost verschillende van de openstaande puzzels in neutronensterfysica in één klap op.

De theorie is ook eenvoudig uit te testen, wat het een goede, bona fide wetenschappelijke theorie maakt. Volgens de theorie kunnen neutronensterren geen magnetisch veld hebben dat sterker is dan 1012 tesla. Vinden astronomen een sterker magneetveld, dan is hiermee de theorie onmiddellijk verworpen.

Gooit Pauliverbod roet in het eten?
De theorie is niet onomstreden. Zo is het de vraag of het Pauliverbod, een kwantummechanische regel die het verbiedt dat twee fermionen (deeltjes met een oneven spin, zoals onder meer elektronen, protonen en neutronen) zich in dezelfde faseruimte met dezelfde eigenschappen bevinden, dit niet verbiedt. Immers: twee neutronen die precies dezelfde richting op staan, zijn volledig identiek. Hansson en Ponga wijzen echter op laboratoriumexperimenten die een aanwijzing lijken te geven dat kernspins zich in dezelfde richting kunnen richten. Ze denken dat dicht opeengepakte neutronen wel eens andere kwantumgetallen zouden kunnen hebben dan materie zoals wij die kennen. Ze noemen een isotopische tripletstaat als voorbeeld van een kwantumconfiguratie die gelijkrichting wel toestaat. Meer in het algemeen: neutronensterren vormen volgens hen een extreme staat van de materie die we niet in het lab na kunnen bootsen en die heel goed onbekende eigenschappen kan vertonen. Het zou niet de eerste keer zijn dat de natuur ons voor verrassingen stelt.

Verandert de snelle rotatie de kwantumeigenschappen van deeltjes?
Dan is er wellicht nog een mogelijkheid, niet in het artikel genoemd. Er is door astronomen eerder vastgesteld dat er onder een bepaalde rotatiesnelheid (de langzaamste pulsar roteert elke 8,6 seconden) geen pulsars meer voorkomen. Klaarblijkelijk schakelt het stilvallen van de rotatie pulsars uit. Logisch, zegt de bestaande theorie, immers deze rotatie wekt net als bij de aarde het magnetische veld op dus als deze verdwijnt, verdwijnt ook het veld. De nieuwe theorie verklaart dit verschijnsel niet. Maar zou het niet zo kunnen zijn dan de hoge rotatiesnelheid extra vrijheidsgraden aan de neutronen geeft (of bosonische, magnetische quasideeltjes in de supervloeistof vormt) die, als de pulsar stilvalt, wegvallen en zo het Pauliverbod in werking doen treden? En daarmee het magneetveld uitschakelen?

Kortom: een controversiële theorie van beide fysici, maar zeer elegant. Waard om verder onderzoek naar te doen.

Bron:
Hansson en Ponga, Pulsars: Cosmic Permanent ‘Neutromagnets’?, ArXiv (2011)

Pulsars zijn de extreem snel ronddraaiende overblijfselen van uitgebrande zware sterren. We nemen ze waar als de bundel van straling over de aarde 'zwiept'.

Heeft het heelal extra dimensies? Snaartheorie getest

Ontsnappen aan een zwart gat is uitermate ingewikkeld, om maar een stevig understatement te gebruiken. Toch is er misschien een mogelijkheid. Als het universum extra dimensies heeft,  zou dat moeten blijken uit het gedrag van pulsars, rondtollende neutronensterren.

Pulsars zijn de extreem snel ronddraaiende overblijfselen van uitgebrande zware sterren. We nemen ze waar als de bundel van straling over de aarde 'zwiept'.
Pulsars zijn de extreem snel ronddraaiende overblijfselen van uitgebrande zware sterren. We nemen ze waar als de bundel van straling over de aarde 'zwiept'.

Volgens de snaartheorie, omstreden maar erg populair onder veel natuurkundigen, zijn er extra ruimtelijke dimensies naast de drie die we in ons dagelijks leven kunnen waarnemen. De snaartheorie is in tegenstelling tot de nu gesneuvelde loop quantum gravity echter tot nu toe onmogelijk te testen, reden voor o.m. fysicus Lee Smolin de snaartheorie als onwetenschappelijk af te doen, ‘not even wrong’.

Snaargoeroe John Simonetti van Virginia Tech in Blacksburg en zijn collega’s zeggen nu echter dat zwarte gaten waar neutronensterren omheen draaien precies dat kunnen doen – als we tenminste een dergelijk bizar paar vinden. Volgens Simonetti produceert het heelal proefopstellingen die we op aarde onmogelijk kunnen realiseren.  Zwarte gaten verdampen volgens Stephen Hawking langzaam. Zonder extra dimensies moet dit proces extreem langzaam verlopen voor grote zwarte gaten van enkele zonsmassa’s of meer.

Extra dimensies zouden de deeltjes echter meer manieren moeten geven om te ontsnappen, wat het verdampingsproces zou versnellen. Het effect hiervan is dat zwarte gaten snel gewicht verliezen en neutronenstrerren elk jaar enkele meters van het centrale zwarte gat verwijderd raken. Dat is te meten. Rondtollende neutronensterren, pulsars, zijn namelijk extreem nauwkeurige ‘klokken’. De vuurtorenachtige pulsen van neutronensterren variëren namelijk een beetje, afhankelijk van de grootte van de baan van de neutronenster.

Bron
The Astrophysical Journal, DOI: 10.1088/2041-8205/737/2/l28

De Krabnevel. Duizend jaar geleden stond hier nog een enkele ster.

`Krabnevel krachtigste energiebron in universum`

In de Krabnevel is een nieuw, extreem energierijk proces ontdekt. Elektronen worden versneld tot duizend maal de energie die we in onze beste deeltjesversneller kunnen opwekken. De flitsen duren erg kort, enkele dagen. Dus moet een proces in heel korte tijd extreem veel energie in de elektronen pompen. Op dit moment zijn er geen astrofysische mechanismen bekend die dit proces kunnen verklaren. Nieuwe natuurkunde?

Krabnevel ontstond uit supernova
In het jaar 1054 vlamde een nieuwe ster aan de hemel op. Europa leefde in die tijd in de donkere, door oorlogen en armoede geteisterde middeleeuwen en mensen hadden wel wat anders aan hun hoofd dan de sterrenhemel in de gaten houden.

De Krabnevel. Duizend jaar geleden stond hier nog een enkele ster.
De Krabnevel. Duizend jaar geleden stond hier nog een enkele ster.

Chinese en Arabische astronomen namen de nieuwe ster in het sterrenbeeld Stier wel waar en beschreven deze gebeurtenis in hun annalen.

Na een paar weken was de supernova – want dat was het – niet meer zichtbaar met het blote oog.

In de bijna duizend jaar na de explosie heeft de gaswolk van de supernova zich uitgebreid tot wat we nu kennen als de Krabnevel.

Pulsars: kosmische vuurtorens
In de Krabnevel bevindt zich ook een van de eerst ontdekte snel ronddraaiende neutronensterrenpulsars – zeer snel ronddraaiende bollen massief  opeengepakte neutronen. De Krabnevelpulsar pulseert elke 0,033 seconden.

Wat zijn neutronensterren en pulsars?

Neutronensterren ontstaan als een heel zware ster uit is gebrand en door de zwaartekracht wordt samengeperst tot een neutronenster. Alle sterren draaien: de zon bijvoorbeeld een keer per maand. Als een ster van miljoenen kilometers doorsnede wordt samengeperst in een klein bolletje zoals een neutronenster, moet de rotatiesnelheid met miljoenen malen toenemen om de hoeveelheid rotatie-energie gelijk te houden. Eén rotatie per maand wordt dan honderden rotaties per seconde.

Een pulsar is een zeer snel, regelmatig röntgensignaal waarvan astronomen denken dat het een snelle rondtollende neutronenster is. Een neutronenster bevat enkele zonsmassa’s samengepakt in een bol met een doorsnede van tien tot vijftien kilometer. De dichtheid van neutronensterren is extreem groot: een suikerklontje neutronenster weegt vermoedelijk evenveel als alle mensen bij elkaar.

We weten van het bestaan van pulsars omdat ze door hun snelle rotatie extreem krachtige magnetische velden opwekken. Deze magnetische velden bewegen door de snelle rotatie – bij sommige pulsars duizendsten van seconden – zeer snel.

Een snel veranderend magnetisch veld wekt altijd een sterk elektrisch veld op. Een fietsdynamo werkt op dit principe. De beweging van de magneet wekt stroom op en laat het fietslampje branden.

Een pulsar is als het ware een reuzendynamo. Het gevolg: elektronen worden in dit sterke elektrische veld opgezwiept tot bijna de lichtsnelheid. Zodra de elektronen op een atoom botsen, dumpen ze hun energie als bundel r̦ntgen- en gammastraling Рdie we waar kunnen nemen als deze over de aarde zwiept.
Pulsars zijn extreem regelmatig – astronomen dachten zelfs even dat het signalen van een buitenaardse intelligentie waren. Sommige pulsars zijn even nauwkeurig als atoomklokken.

Enorme energieuitbarstingen
De pulsar produceert gewoonlijk al enorm veel energie – de Krabnevel zendt 75.000 maal zoveel energie uit als de zon.

Waarnemingen met de Chandra satelliet laten een enorme draaikolk rond de neutronenster zien. Verklaart dit misschien de flares?
Waarnemingen met de Chandra satelliet laten een enorme draaikolk rond de neutronenster zien. Verklaart dit misschien de flares?

Af en toe vlamt de pulsar, zo blijkt, nog veel feller op. Omdat de flitsen zo kort duren denken astronomen aan synchrotronstraling (straling die vrij komt als geladen deeltjes, elektronen dus, worden afgebogen) en wel van extreem energierijke elektronen.

Schattingen wijzen uit dat deze elektronen duizend keer zoveel energie  hebben als wat wij in de LHC op kunnen wekken. De flitsen duren erg kort, enkele dagen. Dus moet een proces in heel korte tijd extreem veel energie in de elektronen pompen. Op dit moment zijn er geen astrofysische mechanismen bekend die dit proces kunnen verklaren. Nieuwe natuurkunde? Of is een creatieve herinterpretatie van de bestaande theorie mogelijk?