Zware neutronensterren zijn minder ver samen te drukken dan gedacht. Dat concludeert een internationale onderzoeksgroep op basis van metingen van een röntgentelescoop aan boord van het internationale ruimtestation ISS. De telescoop mat de grootte van de zwaarst bekende neutronenster PSR J0740+6620.
Neutronensterren zijn de restanten van zware sterren die aan het eind van hun leven – als hun brandstof op is – uit elkaar knallen in een supernova-explosie. Het binnenste van de allerzwaarste sterren stort daarbij in elkaar tot een zwart gat. De andere eindigen als neutronenster: een object met een doorsnee van slechts twintig tot dertig kilometer.
Extreme dichtheid
Binnenin neutronensterren is de dichtheid extreem hoog. Materie bestaat daar niet meer uit atomen of moleculen. Typische neutronensterren – die ongeveer 1,4 keer zwaarder zijn dan de zon – bestaan bijna volledig uit neutronen. Dit zijn ongeladen deeltjes die je ook terugvindt in atoomkernen.
Wat er gebeurt met de neutronen in nog zwaardere neutronensterren is onduidelijk. Er zijn modellen die voorspellen dat de neutronen dan dichter op elkaar gedrukt worden, maar wel intact blijven. Een ander idee is dat de deeltjes uit elkaar vallen in hun bouwstenen: quarks. Dat kan verschillende gevolgen hebben. De quarks kunnen bijvoorbeeld samenklonteren tot andere deeltjes of los door elkaar krioelen in een ongedefinieerde quarkzee.
Vuurtoren
De recent opgemeten PSR J0740+6620 (kortweg J0740) is zo’n mysterieuze extra zware neutronenster. ‘Uit metingen van collega’s uit de radioastronomie is gebleken dat J0740 ongeveer 2,1 keer zwaarder is dan de zon’, mailt Anna Watts, hoogleraar sterrenkunde aan de Universiteit van Amsterdam, die het onderzoek mede leidde. ‘Het is een van de slechts vier bekende neutronensterren die meer dan 1,8 zonsmassa zwaar is.’
J0740, die op een afstand van ongeveer 3000 lichtjaar in het sterrenbeeld Giraffe staat, is een zogeheten pulsar. Dit zijn neutronensterren die razendsnel om hun as draaien en elektromagnetische straling uitzenden vanaf hun polen. Als een schip dat lichtflitsen van een vuurtoren ontvangt, zien we op aarde snelle pulsen van deze elektromagnetische straling.
De pulsar J0740 is onderdeel van een dubbelstersysteem. Zijn partner is een witte dwerg – het uitgebluste restant van een zonachtige ster.
Binnenste neutronenster
De eerste stap om de materietoestand van het binnenste van de neutronenster te onderzoeken, is door de dichtheid te bepalen. Dichtheid is massa gedeeld door volume. Het volume van J0740 hebben astronomen nu nauwkeurig gemeten met NASA’s röntgentelescoop NICER (Neutron star Interior Composition Explorer).
Pulsars kunnen hete vlekken op hun oppervlak hebben die meetbare röntgenstraling uitzenden. NICER legde nauwkeurig vast hoe die vlekken in en uit het zicht verdwijnen als de ster ronddraait. Maar dat is niet genoeg om de grootte (en dus het volume) te bepalen. Omdat neutronensterren zo compact zijn, krommen ze ruimtetijd rondom zich, zoals Einstein beschrijft in zijn algemene relativiteitstheorie. Die kromming zorgt ervoor dat de ster groter lijkt dan hij is.
Door de NICER-metingen te combineren met röntgenwaarnemingen van ESA’s XMM Newton-satelliet – om te corrigeren voor achtergrondruis – en met slimme analysemethoden, hebben de astronomen de grootte van J0740 geschat. De pulsar blijkt een doorsnee van ongeveer 25 tot 27 kilometer te hebben.
Dat is vergelijkbaar met de eerder opgemeten neutronenster, PSR J0030+0451, die wel de typische massa van 1,4 keer de zonsmassa heeft. J0740 heeft dus een flink hogere dichtheid: hij is bijna 50 procent zwaarder, maar wel even groot.
Minder squishy
Deze informatie helpt om het aantal theoretische modellen die voorspellingen doen over het binnenste van zware neutronensterren in te perken. Watts: ‘Onze meting – gecombineerd met het feit dat de grootte niet veel veranderd lijkt te zijn ten opzichte van PSR J0030+0451 – sluit sommige modellen uit die een ‘zachter’ of meer squishy binnenste voorspellen.’ Hier valt bijvoorbeeld het model onder dat het binnenste een zee van quarks is.
Om meer duidelijkheid te krijgen over het mysterieuze binnenste van zware neutronensterren, willen de onderzoekers meer sterren opmeten met NICER. Watts: ‘Verder kunnen we meer leren door onze metingen te combineren met observaties van zwaartekrachtsgolfdetectoren en radiotelescopen.’
