Neutronensterren leveren toch geen informatie over quarkmaterie

Neutronensterren leveren toch geen informatie overquarkmaterie

Wetenschappers proberen al dertig jaar de stralingvan een neutronenster te analyseren. Sterrenkundige Mariano Mendez,verbonden aan het Utrechtse SRON, lijkt daarin nu te zijn geslaagd,getuige een artikel in het tijdschrift Nature. Uit kernexplosieshaalde hij unieke gegevens over die tot nog toe geheimzinnigeneutronensterren.

Sterrenkundige Mariano Mendez laat een filmpje zien op zijnLinux-computer. Een kleine neutronenster slurpt massa van eennaburige ster op. In een spiraal dwarrelt de materie om deneutronenster heen. Het filmpje zoomt in op de neutronenster. Ophet oppervlak begint een explosie. Na een paar seconden ontploft dehele buitenkant van de neutronenster. Het hele scherm wordt wit omaan te geven hoe verzengend de explosie is. "Het is een artistimpression", verontschuldigt de van oorsprong Argentijnseastrofysicus zich voor de niet al te wetenschappelijkeuitstraling.

De kernexplosies hebben een kracht die moeilijk voor te stellenis. In een explosie, die zo'n honderd seconden duurt, komt netzoveel energie vrij als de zon in een maand uitstraalt. Eenoorlogszuchtigere vergelijking: een roentgenexplosie is hetenergetische equivalent van 2.10^22 (spreek uit: twee maal tien totde 22ste) atoombommen (van 12 kiloton) die op Hirosjima vielen. Endeze ontploffingen vinden elke tienduizend seconden, ongeveer drieuur, plaats.

Om die gigantische explosies draait Mendez' onderzoek. Bij deenorme kernreactie komt roentgenstraling vrij. Met deroentgensatelliet XMM-Newton van het European Space Agency heeftMendez de straling van de neutronenster geanalyseerd. In technischetermen: hij heeft het spectrum van de straling bepaald (zie kader).De informatie levert Mendez de verhouding tussen de massa en dedoorsnede van de neutronenster op. Mendez, die werkzaam is bij dein De Uithof gevestigde Stichting Ruimte Onderzoek Nederland, SRON,beschrijft het onderzoek in Nature van 7 november samen met JeanCottam van NASA en en oud-SRON-onderzoeker Frits Paerels vanColumbia University. "Dit proberen wetenschappers al dertig jaar,maar tot nu toe waren de instrumenten niet niet goed genoeg."

Massa

Mendez heeft dus een wereldwijde primeur. Het is het begin vanhet ontrafelen van de geheimen van de neutronenster. Van dieobjecten is relatief weinig bekend. We weten dat ze snelronddraaien, dat ze grotendeels uit neutronen bestaan en vooral datze heel erg zwaar zijn. Een typische neutronenster bezit 1,4 maalzoveel massa als onze zon. Mendez' onderzoek levert de daarbijhorende doorsnede van de neutronenster op: minder dan vijftienkilometer. Bij zo'n hoge dichtheid worden atomen in elkaar geperstzodat protonen en elektronen fuseren tot neutronen en er alleenneutronen overblijven. Een lepeltje van deze materie zou op aardetweeduizend-miljard ton wegen.

Voor een idee van de massa van een neutronenster moestensterrenkundigen tot nu toe hun toevlucht nemen tot indirectemethoden. Als een neutronenster en een andere ster om elkaar heendraaien, dan is uit de snelheid van die ster de omtrek van de baanaf te leiden. Uiteindelijk volgt daar ook de massa van deneutronenster uit. Deze methode levert echter geen wetenschappelijksolide schattingen.

Het onderzoek van Mendez en collega's stelt dat neutronensterEXO 0748-676 tussen de 1,3 en de 2 keer zo zwaar is als onze zon entussen de 9 en de 12 kilometer in doorsnede moet zijn. Dezeberekening komt overeen met voorspellingen van de kernfysica. Datis belangrijk. Met de kernfysica is namelijk te berekenen wat ergebeurt met materie in extreem hoge dichtheden, zoals in deneutronenster het geval is. De kernfysica levert dus ookvoorspellingen over de doorsnede van een neutronenster die bij eenbepaalde massa hoort. De meting van Mendez is de eerstemogelijkheid om te testen of die berekeningen kloppen. Dat blijktdus het geval te zijn. Mendez: "Sommigen hebben het een triomf vande kernfysica genoemd."

Het betekent ook dat de neutronenster inderdaad uit neutronenbestaat -- zoals zijn naam al suggereert. Dat hoeft namelijk nietper se het geval te zijn. Theoretici hebben aangenomen dat extreemdichte materie puur uit neutronen bestaat. Maar het kan nog eengraadje compacter. De zwaartekracht kan zo sterk zijn dat zelfsneutronen ophouden te bestaan. Dan vallen neutronen uiteen in hunbouwstenen: quarks. Met dezelfde massa zou de neutronenster dan eennog kleinere doorsnede moeten hebben, maar zo'n kleine doorsnede isniet verenigbaar met Mendez' resultaten.

Quarks

Tot nu toe was het niet uitgesloten dat wat dan wel'neutronen'-ster heet misschien bestond uit quarks. Theoretischgezien was het in elk geval mogelijk. Dat zou interessant zijnomdat een quarkster de perfecte omgeving zou zijn om quarks tebestuderen. Nu kunnen alleen erg dure deeltjesversnellers ietsvertellen over deze elementaire bouwstenen. In eendeeltjesversneller zijn quarks onstabiel, ze bestaan maar fractiesvan seconden.

Mendez: "Kernfysici zouden graag een omgeving vinden waarinquarks zich in een vrije toestand bevinden. Dan zouden ze goed tebestuderen zijn. Nu kan dat niet, want alleen vlak na de oerknalkwamen er vrije quarks voor. Niemand heeft nog een plaats bedachtwaar vrije quarks zouden kunnen bestaan, behalve in het binnenstevan een neutronenster. Het binnenste van een gewone ster is langniet heet genoeg. Misschien komen ze voor een in zwart gat. Maaruit een zwart gat kun je geen informatie halen."

Met gevoel voor humor haalt Mendez een citaat aan van eenAmerikaanse professor, Virginia Trimble van Maryland University:'We weten niet wat er in een zwart gat gebeurt. We hebben erverschillende studenten heen gestuurd om het uit te zoeken, maardie zijn nooit teruggekomen om het ons te vertellen. We denken datze een baan hebben gevonden in het bedrijfsleven.' Samenvattendzegt Mendez: "Het maakt niets uit wat er in een zwart gat gebeurt.De enige hoop om quarkmaterie te vinden, was in neutronensterren.Met onze resultaten hebben we die hoop zo goed als vernietigd."

Rinze Benedictus

Roodverschuiving

De lichtsnelheid is altijd gelijk, een lichtdeeltje of fotonbeweegt altijd met 300.000 kilometer per seconde. Ook als er doorde zwaartekracht heel hard aan 'getrokken' wordt. Een bal die jeomhoog gooit, zal steeds langzamer omhoog gaan. Op het dode puntstaat de bal stil, daarna valt hij weer naar beneden, aangetrokkendoor de zwaartekracht van de aarde. Een foton houdt echter altijdzijn snelheid.

Maar Einstein voorspelde aan het begin van de vorige eeuw dat desterke zwaartekracht wel invloed heeft op de energie, de kleur vanhet foton. Mendez: "Stel je voor dat een blauw foton uit een sterkzwaartekrachtsveld vliegt. De kleur van het foton verandert dan vanblauw naar rood naar infrarood. Vandaar de naam'roodverschuiving'." Roodverschuiving onder invloed van dezwaartekracht heet gravitationele roodverschuiving.

Bij roodverschuiving treedt hetzelfde fenomeen op als bij hetDoppler-effect, het effect waarbij de sirene van een ambulance diesteeds dichterbij komt steeds hoger wordt, en weer steeds lagergaat klinken als de ziekenwagen eenmaal gepasseerd is. Door het'uitrekken' van de wegrijdende geluidsgolf klinkt het geluid steedslager. In het geval van de ambulance vertelt het Doppler-effectiets over de richting en de snelheid van de geluidsbron.

In zijn publicatie in Nature is Mendez erin geslaagd deroentgen-straling van een neutronenster te analyseren, hij heefthet spectrum opgemeten. In dat spectrum zaten drie gekke piekjesdie alleen maar aan de bijzondere vorm van roodverschuiving tewijten waren. Die verschuiving is uit te drukken in een getal. Eninteressant genoeg is dat getal, via een eenvoudige natuurkundigeberekening, direct te koppelen aan de massa gedeeld door de straalvan de neutronenster. Niemand had eerder kans gezien dieeigenschappen van een neutronenster te meten.

"De eerste die op dat idee kwam was de Nederlandse natuurkundigeJan van Paradijs", vertelt Mendez. Van Paradijs werkte aan deUniversiteit van Alabama en aan de Universiteit van Amsterdam. Debekende astrofysicus overleed in 1999. "Tijdens een lezing steldeBoudewijn Swanenburg van SRON een vraag over roodverschuiving, datzette Van Paradijs aan het denken. In 1979 publiceerde hijhet."