Tweet

Botsende sterrenstelsels maken schokgolf aan straling zichtbaar /2 reacties

Voor het eerst hebben sterrenkundigen de straling waargenomen die vrijkomt wanneer enorme clusters van sterrenstelsels tegen elkaar botsen. Reinout van Weeren, promovendus aan de Universiteit Leiden, publiceerde er onlangs over in Science.

Het leven van een sterrenkundige gaat niet altijd over rozen. Je zit in een vliegtuig op weg naar een bergtop in een uithoek van de wereld, om daar wekenlang ‘s nachts observaties te doen. De rest van je tijd gaat voor een flink deel op aan observatietijd aanvragen. Wat rest is publiceren. Daar slaagt sterrenkundige Reinout van Weeren zonder problemen in. Over de grootste astronomische botsing ooit waargenomen, bijvoorbeeld.

Sterrenkundie is de studie van de grote getallen. Afstand, omvang, snelheid, in de meeste gevallen gaat het om eenheden die alleen in miljarden maal miljarden zijn uit te drukken. De Leidse sterrenkundige en promovendus Reinout van Weeren is een uitblinker in het observeren van alles wat astronomisch is. Hij bestudeert de botsing tussen twee clusters van sterrenstelsels, de grootste versmelting van hemellichamen ooit waargenomen.

Duizend sterrenstelsels

Twee clusters van elk zo´n duizend sterrenstels schuiven met ongeveer duizend tot tweeduizend kilometer per seconde in elkaar tot één cluster. ´Met onder meer de Westerbork radiotelescoop in Drenthe (ASTRON) hebben we daarvan een schokgolf waargenomen met een lengte van zeker honderd keer die van onze eigen Melkweg,´ vertelt Van Weeren. ´Door de botsing komen grote hoeveelheden cosmic rays vrij. Het is voor het eerst dat we de straling die van deze deeltjes vrijkomt hebben waargenomen. En dat we een directe bron meten van de straling.´

Het is een meer dan dertig jaar oude theorie die zegt dat in de schokgolven die ontstaan bij botsende clusters van sterenstelsels deeltjes tot zeer hoge energie versneld kunnen worden. Volgens de theorie wordt tijdens dit proces ook radiostraling geproduceerd die zichtbaar zou moeten zijn voor radiotelescopen op aarde. ´We wisten dat deze radiostraling te maken had met schokgolven in de cluster, maar niet hoe de straling precies ontstond´, aldus Van Weeren. De waarneming is ook van groot belang voor het antwoord op de vraag hoe clusters van sterrenstelsels ontstaan.

Cosmic ray

Cosmic rays kunnen wel op aarde worden waargenomen maar hier worden heel andere technieken voor gebruikt, zogenaamde deeltjesdetectoren. ´Het probleem is dat het nog niet mogelijk is om te bepalen waar deze deeltjes precies vandaan komen. Je kunt dus niet laten zien dat ze van een cluster komen,´legt Van Weeren uit. ´Voor de radiostraling die ik waarneem is het wel direct duidelijk waar deze vandaan komt, je kunt er een echt plaatje van maken.’

De radiostraling komt vrij door de botsing van gas tussen de sterrenstelsels. Hierdoor stijgen de temperaturen in de cluster tot miljoenen graden en worden er deeltjes versneld die radiostraling gaan uitzenden. Het energieniveau van deze deeltjes is naar alle waarschijnlijkheid het hoogst haalbare in de natuur, en zeker een miljoen maal meer dan het energieniveau dat bij de Large Hadron Collider van het Europese centrum voor kernonderzoek CERN in Zwitserland gehaald kan worden.

Het cluster van sterrenstelsels waar Van Weeren zijn waarnemingen aan deed kreeg de naam CIZAJ2242.8+5301. Bij ASTRON, maar ook bij waarnemingen met grote radiotelescopen in de Verenigde Staten en India, ontdekten Van Weeren en zijn collega´s een boog van radiostraling. ´De boog strekt zich uit over een afstand van 6 miljoen lichtjaar. Het is eigenlijk raar dat hij nooit eerder is gezien. Op 15 jaar oude kaarten van de noordelijke radio-hemel bleek dat het object al te zien was. Maar tot nu toe was deze boog niemand opgevallen.´

Clusters van sterrenstelsels behoren tot de grootste structuren in het heelal. Behalve sterrenstelsels bevatten clusters ook een enorme hoeveelheid gas, tot wel 90% van de zichtbare massa. Clusters ontstaan door het botsen van kleinere clusters. Het zijn de schokgolven in het gas die zichtbaar zijn te maken. Een beetje botsing duurt vele miljoenen jaren.

Simulatie

Het aardige aan de vondst van Van Weeren is dat de waargenomen boog van radiostraling op geen enkele andere manier te verklaren is dan met de botsing van de clusters. Wiskundige rekenmodellen bevestigen die hypothese ook. Duitse astronomen die aan het onderzoek meewerken hebben met simulaties op supercomputers de eigenschappen van de radiostraling kunnen voorspellen. ´De door ons ontdekte boog radiostraling voldoet precies aan die voorspelling.´

In ons eigen melkwegstelsel zijn geen gebieden bekend die deeltjes kunnen produceren met het energieniveau als in CIZAJ2242.8+5301 is waargenomen. `Alles lijkt erop te wijzen dat de radiostraling afkomstig is van de schokgolven in de clusters,´ aldus Van Weeren.

In de loop van dit jaar zal mogelijk nieuw bewijsmateriaal kunnen volgen. Er staan waarnemingen gepland met de Europese satelliet XMM-Newton. Die kan röntgenstraling waarnemen die botsende clusters uitzenden. De onlangs in gebruik genomen radiotelescoop LOFAR, die zich over een flink deel van Europa uitspreidt, zou de stralende clusters ook moeten kunnen oppikken. ´We verwachten vele honderden botsende clusters met radiostraling te zien, die bij eerder waarnemingen te zwak waren.´

Uitdijing

Het botsingproces dat Van Weeren waarneemt duurt een ongeveer één miljard jaar. ´De afstanden in clusters zijn zo groot, dat ondanks de snelheid waarin de delen zich bewegen wij op aarde geen beweging kunnen waarnemen.´ Door het uitdijen van het heelal zal er ooit een einde komen aan het versmelten van clusters. Van Weeren: ´De kans dat clusters botsen wordt steeds kleiner als de afstand tussen hen steeds groter wordt.´

Maar dat zal Van Weeren niet meemaken. Voorlopig kan hij nog in alle rust waarnemen. Hoewel rust? Met de recente publicatie over zijn onderzoek in Science heeft hij het drukker dan ooit. En het leven van een sterrenkundige gaat toch al niet altijd over rozen. Van Weeren zit veel in het vliegtuig op weg naar een uithoek van de wereld, om daar soms dagenlang ‘s nachts observaties te doen. ´De rest van mijn tijd gaat voor een flink deel op aan het aanvragen van observatietijd. En verder schrijf ik publicaties.´ Van Weeren kwam onlangs terug van een waarneming in Chili, en vertrekt binnen afzienbare tijd weer naar India, al is dat dit keer voor een presentatie van zijn onderzoek.

Dit verhaal verscheen eerder hier.