#milliseconde pulsars

De ontdekking van zwaartekrachtsgolven – zowel op indirecte wijze door Taylor en Hulse in 1974 als op directe wijze door Advanced LIGO in 2015 – heeft een ware hausse aan aandacht voor dit fenomeen veroorzaakt. Stephen Hawking spreekt al van een nieuw venster op het heelal, dat we met behulp van de zwaartekrachtsgolf-sterrenkunde krijgen. Eén van de manieren waarop we zwaartekrachtsgolven kunnen detecteren is die van het ‘Pulsar Web’ genaamd North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). Dat netwerk van aan elkaar verbonden radiotelescopen is al in 2007 van start gegaan en doel is om met behulp van het waarnemen van milleseconde-pulsars passerende zwaartekrachtsgolven te detecteren. Het gaat daarbij om zwaartekrachtsgolven met lage frequentie, die afkomstig zijn van om elkaar draaiende superzware zwarte gaten, zwarte gaten die miljoenen of miljarden keren zo zwaar zijn als de twee stellaire zwarte gaten, die Advanced LIGO met GW150914 zag. Superzware zwarte gaten bevinden zich in de centra van sterrenstelsels en die stelsels kunnen door gravitationele interactie botsen en samengaan, hetgeen dan ook hun centrale zwarte gaten overkomt. De pulsars die NANOGrav waarneemt zijn neutronensterren, compacte extreem dichte objecten van ongeveer een zonsmassa, die in een bol met een diameter van zo’n 20 km gepropt zitten en die bundels radiostraling uitzenden. Als zo’n bundel naar de aarde gericht is zien we de neutronenster als pulsar. Milliseconde-pulsars zijn een bijzondere klasse van pulsars, die per seconde honderden keren om hun as kunnen draaien. Sterrenkundigen gebruiken die pulsars als zeer nauwkeurige klok, de aankomsttijd van de afzonderlijke pulsen kan met een nauwkeurigheid van tien miljoenste van een seconde worden gemeten.

Met NANOGrav worden momenteel 54 pulsars in de gaten gehouden. Mocht een zwaartekrachtsgolf passeren dan oscilleert de ruimtetijd een klein beetje en dat zal effect hebben op de aankomsttijden van de pulsen van de pulsars. Bij GW150914 duurde die passage slechts 0,2 seconden, maar in het geval van superzware zwarte gaten die om elkaar draaien en nog niet samengesmolten zijn kan die passage maanden of jaren duren en daar zou het NANOGrav netwerk meer geschikt voor zijn, dan Advanced LIGO en de toekomstige eLISA satellieten. Probleem tot nu toe: NANOGrav is een netwerk dat voornamelijk in de VS werkt – de naam zegt ’t ook al – en dat slechts een deel van de hemel bestrijkt. Daarom wil men het netwerk uit gaan breiden naar Europa en Australië om het bereik te vergroten en daarmee de kans te vergroten om zwaartekrachtsgolven met lage frequentie te detecteren. Hieronder tenslotte nog een video over NANOGrav.

Bron: NASA/JPL.

<!-- if(wpa2a)wpa2a.script_load(); //-->

Gammafoto van de Melkweg (door de NASA/Fermi-satelliet. Uitvergrotingen: De analyses laten zien dat de gammafotonen afkomstig uit het centrum van de Melkweg volgens een spikkelpatroon zijn verdeeld. Als ze afkomstig zouden zijn van donkeremateriebotsingen, zou de verdeling veel egaler moeten zijn. Beeld: Christoph Weniger, UvA.

De raadselachtige hoeveelheid gammastraling uit het centrum van de Melkweg is waarschijnlijk afkomstig van extreem snel roterende neutronsterren, of millisecondepulsars, en niet van donkere materie, zoals tot nu toe werd beweerd. Dit blijkt uit een nieuwe statistische analyse van de meetgegevens van de Fermi-satelliet uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam. De resultaten zijn gepubliceerd in gerenommeerde tijdschrift ‘Physical Review Letters’.

Tegelijk met de publicatie van het UvA-onderzoek verschijnt in hetzelfde nummer van Physical Review Letters een artikel van een onderzoeksgroep van Princeton University en Massachusetts Institute of Technology (MIT). De Amerikaanse onderzoekers komen met een andere statistische analyse van dezelfde meetgegevens tot een vergelijkbare conclusie als de UvA-onderzoekers.

De Fermi-ruimtetelescoop

Met de Fermi-satelliet van de NASA werd in 2009 een raadselachtig overschot aan gammastraling gevonden in het centrum van de Melkweg. De Large Area Telescoop, het hoofdinstrument van de Fermi-satelliet, zag een verhoogde hoeveelheid gammafotonen met een energie van 2 GeV (giga-elektronvolt) uit het gebied komen. Het vermoeden was dat deze gammafotonen ontstonden bij de botsing van twee donkere materiedeeltjes. Bij zo’n botsing vernietigen de donkere materiedeeltjes elkaar, maar laten een spoor achter van energierijke gammastraling. Als het gammaspoor daadwerkelijk de vingerafdruk van donkere materiedeeltjes zou zijn, zou dat een geweldige doorbraak zijn in onze kennis van de samenstelling van het heelal.

In de loop der jaren zijn er verschillende andere theorieën opgedoken om het gammaoverschot te verklaren. De extra gammastraling zou veroorzaakt kunnen worden door de activiteit van het superzware zwarte gat in het centrum van onze Melkweg, of afkomstig kunnen zijn van een grote groep millisecondepulsars – supersnel ronddraaiende neutronensterretjes –  in de centrale bult van de Melkweg.

Spikkelpatroon

Hoofdonderzoeker Christoph Weniger

Dr. Christoph Weniger van het Institute of Physics van de UvA en zijn collega’s hebben nu een nieuwe statistische analyse uitgevoerd van de meetgegevens van de Fermi-satelliet. Daaruit blijkt dat het overschot aan gammastraling volgens een spikkelpatroon is verspreid over het gebied. Het ligt daarom meer voor de hand dat de straling afkomstig is van een grote groep millisecondepulsars, die zich schuilhouden in het centrum van de Melkweg. Als de gammafotonen afkomstig zouden zijn van botsende donkerem ateriedeeltjes, zou de straling veel egaler verspreid moeten zijn.

Millisecondepulsars behoren tot de meest extreme objecten in het heelal. Ze zijn miljarden jaren geleden gevormd bij het ontstaan van de Melkweg. Volgens Weniger en collega’s gaat het om een populatie van honderden tot duizenden nog onontdekte millisecondepulsars. De volgende generatie radiotelescopen, zoals de Square Kilometer Area SKA, moet uitsluitsel geven over het bestaan van deze millisecondepulsars.

Win-win

Weniger spreekt van een win-winsituatie: ‘We kunnen het komende decennium honderden, misschien wel duizenden millisecondepulsars vinden, waardoor we heel veel te weten kunnen komen over de ontstaansgeschiedenis van de Melkweg. Als we ze daarentegen niet vinden, kunnen we met meer zekerheid zeggen dat deze weg doodloopt, en kunnen we met meer zelfvertrouwen op zoek naar donkere materie.’ Bron: UvA.