Ruimtestraling brengt de zeeën aan de kook

Doodssterren schieten felle gammastralen het heelal in. Metingen duiden erop dat deze gammaflitsen nog krachtiger zijn dan aangenomen – en dat ze minstens één keer het leven op aarde hebben gegrild.

Doodssterren schieten felle gammastralen het heelal in. Metingen duiden erop dat deze gammaflitsen nog krachtiger zijn dan aangenomen – en dat ze minstens één keer het leven op aarde hebben gegrild.

Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Op 14 januari 2019 slaan de systemen van de Swiftsatelliet alarm. De instrumenten aan boord hebben een enorme energieontlading vanuit het verre heelal geregistreerd.

In de loop van 64 seconden draait de satelliet zijn telescoop steeds naar de gebeurtenis toe. En de uren en dagen daarna volgen meerdere telescopen op aarde en in de ruimte dit verschijnsel met de naam GRB 190114C.

De letters GRB laten zien dat de Swiftsatelliet een gammaflits heeft ontdekt: een uitzonderlijk krachtige ontlading van kortgolvige elektromagnetische straling in twee kegels.

In korte tijd zendt een gammaflits tot tien keer zo veel energie uit als de zon in zijn hele leven.

De Burst Alert Telescope (BAT) van de Swiftsatelliet spot in 15 seconden de positie van de gammaflits en stuurt de gegevens door naar andere telescopen.

© Nasa

Lang was de oorsprong van de gammaflitsen een mysterie, maar één ding wordt steeds duidelijker: als een gammaflits plaatsvindt binnen een paar duizend lichtjaar van de aarde, kan de planeet zware problemen krijgen.

De straling bevat genoeg energie om vanaf 3000 lichtjaar afstand al het water op aarde aan de kook te brengen, en minstens één keer hebben gammaflitsen ernstige gevolgen voor het leven gehad.

Doodsstuipen leiden tot giga-explosies

Gammaflitsen waren tot 1967 onbekend bij astronomen. Ze werden bij toeval ontdekt door Amerikaanse Vela-satellieten, die waren gelanceerd om geheime Russische kernproeven in de ruimte in de gaten te houden.

In de jaren daarna regende het theorieën over de oorsprong van de krachtige gammastraling.

Met name de vraag van hoe ver de gammaflitsen komen verdeelde de wetenschappers in twee kampen.

Het ene kamp dacht dat ze ontstaan in een bolvormige sterrenwolk rond de Melkweg, het andere dat ze vanuit verre sterrenstelsels naar de aarde komen.

De gevolgen van dat laatste zijn echter moeilijk te accepteren, want als een explosie zo duidelijk te zien is in het hele heelal, moet de energie extreem hoog en potentieel allesvernietigend zijn.

In 1997 gaf de gammaflits GRB 970508 uitsluitsel; die wees uit dat de flitsen afkomstig zijn van verre sterrenstelsels.

Hierbij werd voor het eerst de zogeheten roodverschuiving waargenomen: de astronomische versie van de verschuiving van toon als er een ambulance langsrijdt.

Hoe sneller de ambulance rijdt, des te duidelijker de toon verandert. Dat geldt ook voor de roodverschuiving. Naarmate het heelal uitdijt, bewegen clusters van stelsels verder van elkaar af.

Hoe verder weg ze zijn, hoe hoger hun snelheid weg van de aarde is en hoe meer de rode golflengten van het licht opkomen. De roodverschuiving valt te vertalen in afstand.

Voor GRB 970508 was dat 6 miljard lichtjaar. Ter vergelijking: de Melkweg heeft een diameter van 200.000 lichtjaar. Een vermoedelijke oorzaak van het verschijnsel zijn exploderende reuzensterren.

Een jaar daarna, in 1998, werd dit deels bevestigd door de gammaflits GRB 980425, die slechts een etmaal na een gigantische supernova volgde: een explosie veroorzaakt door een zware ster die onder zijn eigen gewicht instort.

Volgens de theorie worden de gammaflitsen veroorzaakt door de laatste stuiptrekkingen van reuzensterren. Tijdens die stuipen zendt de ster materie en straling uit, die samen de gigantische energieontladingen veroorzaken.

Gammaflits kent meerdere varianten

Met behulp van satellietmetingen bouwden astronomen geleidelijk aan een grote database van gammaflitsen op, waaruit bleek dat ze uit twee groepen bestaan. Sommige duren kort, gemiddeld nog geen seconde, terwijl andere zeker 10 seconden of nog langer aanhouden.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Gammaflitsen door instortingen en botsingen

Gammaflitsen zijn griezelig sterke ontladingen van harde elektromagnetische straling. Uit satellietmetingen blijkt dat de flitsen een korte en een langere variant kennen.

Botsing is kortstondig

Korte gammaflitsen duren rond de 0,3 seconden en ontstaan vermoedelijk bij de botsing van twee neutronensterren of een neutronenster en een zwart gat.

Instorting zendt lange flitsen uit

Lange gammaflitsen duren rond de 30 seconden en ontstaan vermoedelijk als de grootste sterren van het heelal instorten onder hun gewicht.

Gammaflitsen komen daarom waarschijnlijk in twee varianten voor. Volgens astronomen ontstaan de lange flitsen als een stervende reuzenster instort en een zwart gat vormt, terwijl de korte het gevolg zijn van de botsing tussen twee neutronensterren.

Als in een dodendans draaien twee extreem zware sterren steeds dichter om elkaar heen, totdat ze botsen.

Door die botsing ontstaat een nieuw hemellichaam met zo’n grote massa dat het onder zijn eigen gewicht bezwijkt.

In een allerlaatste krachtsinspanning zendt het hemellichaam een korte gammaflits uit, waarna het verandert in een zwart gat.

De korte gammaflitsen zijn er ook in twee typen: met of zonder ‘staart’, die bestaat uit een circa 100 seconden durende sliert van zwakke gammastraling.

Volgens Chinese onderzoekers van de universiteit van Nanjing komen gammaflitsen met een dergelijke staart voort uit de fusie van twee neutronensterren, terwijl er bij de botsing tussen een neutronenster en een zwart gat gammaflitsen zonder staart ontstaan.

De onderzoekers hebben nog geen gammaflits van de Melkweg waargenomen.

En dat is maar goed ook. De energieontlading is zo hevig dat iedere planeet die zich op een afstand van een paar duizend lichtjaar bevindt, wordt geroosterd.

Voor zo’n catastrofe moet een planeet echter in lijn staan met de rotatieas van de instortende ster, want de gammastraling wordt uitgezonden in twee kegels onder een hoek van 12° tot de sterrenpolen.

Foton draagt extreem veel energie

Gammastraling, de energierijkste vorm van elektromagnetische straling, wordt ioniserend genoemd. Dat wil zeggen dat de hoge energie elektronen van elementen kan losrukken en ionen kan creëren, die kanker kunnen veroorzaken wanneer ze levende cellen raken.

Gammastraling is de meest energierijke vorm van elektromagnetisme. De korte golflengte en hoge frequentie worden onder meer benut voor PET-scans.

Die hoge energie was de reden waarom astronomen de ontdekking van de Swiftsatelliet in januari 2019 zo toejuichten. Volgens metingen was de gammaflits GRB 190114C de grootste explosie die ooit in het heelal is waargenomen.

De ster die de flits uitzond, bevond zich op ongeveer 4,5 miljard lichtjaar afstand, en vanaf dat moment heeft de gammastraling die enorme afstand naar ons afgelegd. Met andere woorden, de ster moet zijn geëxplodeerd in de tijd dat de aarde ontstond.

Telescoop neemt krachtigste gammaflits ooit waar

In de nagloed van elektromagnetische straling (van radiogolven, zichtbaar licht en röntgenstralen) dook een foton met een energieniveau van 1 tera-elektronvolt (TeV) op.

Het was een miljard keer zo energierijk als gewoon licht, wat de theorieën over het ontstaan van de gammaflitsen ondersteunt.

Een foton krijgt alleen zo’n hoge energie door het ‘omgekeerde comptoneffect’, een proces waarbij elektronen met de snelheid van het licht energie overdragen aan fotonen in de laatste stuiptrekkingen van een stervende reuzenster.

Koolstof 14-piek wekt verwondering

De ontdekking van het energierijke foton laat zien dat de gammaflitsen mogelijk nog feller zijn dan gedacht. Het heeft dan ook ernstige gevolgen als een ster in de buurt van de aarde er een afvuurt.

Astronomen zoeken daarom naar sporen van gammaflitsen relatief dicht bij de aarde, en veel duidt erop dat ze daarvoor maar 1250 jaar terug hoeven te gaan.

In tien jaar tijd registreerde de ruimtetelescoop Fermi wel 186 gammaflitsen. Middenin is de Melkweg te zien.

© Fermi LAT Collaboration/DOE/NASA

Hoogleraar in de astrofysica Ralph Neuhäuser van de Duitse universiteit van Jena heeft met zijn collega Valeri Hambaryan ontdekt dat de jaarringen van Japanse bomen in het jaar 774 een 20 keer zo hoog koolstof 14-gehalte hadden als normaal.

Later werd dit hoge gehalte ook gemeten bij Duitse, Amerikaanse en Nieuw-Zeelandse boomsoorten.

Koolstof 14 is van de drie koolstofisotopen de radioactieve, en duikt op als de atmosfeer van de aarde wordt bestookt met ruimtestraling.

Als het koolstof 14-gehalte ineens stijgt, dan heeft meer straling dus onze planeet bereikt. Bomen nemen koolstof op, en hoe meer ervan in de atmosfeer zit, hoe meer er in het hout belandt.

Op basis van de hoeveelheid koolstof 14 in bomen en het gehalte aan beryllium-10 en nitraat in boormonsters van het zuidpoolijs schatten Neuhäuser en Hambaryan dat de bron van de extra kosmische straling een korte gammaflits was, veroorzaakt door de botsing tussen twee neutronensterren op 12.000 lichtjaar afstand.

Aarde krijgt voltreffer te verwerken

Toen de flits toesloeg in het jaar 774, had dit een beperkt effect, maar als de aarde nu zoiets zou meemaken, zou dit dezelfde gevolgen hebben als een felle zonnevlam en onder meer onze vloot van satellieten uitschakelen – in elk geval tijdelijk.

Als de gammaflits plaatsvindt op een paar duizend lichtjaar afstand – of zo krachtig is als de flits die de Swiftsatelliet in januari 2019 registreerde – kan dit ernstige gevolgen voor het leven op aarde hebben.

444 miljoen jaar geleden werd de aarde getroffen door de op één na ernstigste biologische ramp ooit.

Deze gebeurtenis vernietigde 85 procent van alle soorten en 49-60 procent van alle geslachten.

444 miljoen jaar geleden stierf 85 procent van alle soorten uit – mogelijk door een gammaflits. De straling vernietigde de atmosfeer, waardoor zichtbaar licht werd geweerd, en schadelijke uv-straling grilde de aarde.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Gammaflits treft de aarde

Een ster op circa 10.000 lichtjaar afstand zendt een gammaflits uit. Harde straling treft de atmosfeer en splijt ozon-, zuurstof- en stikstofmoleculen.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Smog sluit licht buiten

Zuurstof en stikstof vormen het ondoorzichtige en giftige gas stikstofdioxide. Dit sluit zichtbaar licht buiten en hult de aarde in duisternis.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Uv-stralen dringen binnen

De ozonlaag raakt verzwakt, waardoor de uv-straling van de zon tot op de aardbodem en in organismen kan doordringen en DNA vernietigt.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Zeedieren betalen de tol

De duisternis en de harde uv-straling moorden zeedieren uit die op laag water en boven in zee leven. Zo sterven verschillende soorten trilobieten uit: geleedpotigen die verwant zijn aan de huidige landpissebed.

Er zijn veel theorieën over de oorzaak van de massa-extinctie, variërend van giftige metalen die vrijkomen uit de oceaanbodem tot een daling van het broeikasgasgehalte in de atmosfeer.

Maar in 2003 zag een groep Amerikaanse astronomen een gammaflits op ongeveer 10.000 lichtjaar afstand als de grote boosdoener.

Door de gammastraling worden de zuurstof- en stikstofmoleculen in de atmosfeer omgezet in stikstofdioxide, met allerlei nadelen voor het leven als gevolg.

De flits zelf schaadt de ozonlaag, waardoor ultraviolette stralen van de zon de bodem kunnen bereiken, en het stikstofdioxide maakt de neerslag zuur en weert zonlicht, waardoor planten sterven en het kouder wordt. En al die effecten deden zich 444 miljoen jaar terug voor.

Ook vonden de onderzoekers informatie in soorten die het overleefden en die het niet overleefden.

Een van de talrijkste diergroepen op aarde waren trilobieten, geleedpotigen die verwant zijn aan de huidige zwaardstaarten en pissebedden.

Bij een massasterfte overleven de meest voorkomende soorten meestal – dus de dieren met de grootste leefgebieden – omdat ze beter toegerust zijn dan soorten met één beperkte leefomgeving.

Maar 444 miljoen jaar terug verdwenen soorten die in ondiep water of boven in de oceanen leefden, terwijl soorten trilobieten in diep water overleefden.

Trilobieten leken op enorme pissebedden. Toen een felle gammaflits de aarde 444 miljoen jaar geleden trof, overleefden alleen de soorten diep in zee.

Het lijkt er dus op dat juist het leven aan de oppervlakte gevaar liep door de drastisch veranderde levensomstandigheden als gevolg van de dosis gammastraling.

Nieuwe telescopen meten blauwe straling

Al nemen de satellieten en telescopen gemiddeld één gammaflits per dag waar, elk sterrenstelsel maakt er statistisch gezien slechts enkele per miljoen jaar mee.

Het risico dat de aarde in de nabije toekomst geroosterd wordt, is dus minimaal. Maar het is er. Daarom zoeken wetenschappers in de buurt van de aarde nu naar de volgende ster die een gammaflits kan veroorzaken.

Zo’n ster vonden Australische en Britse onderzoekers in 2018, toen ze onderzoek deden naar het mysterieuze sterrenstelsel 2XMM J160050.7-514245, ook wel Apep genoemd, dat zich op circa 8000 lichtjaar van de aarde bevindt.

Apep valt dus binnen de afstand waarop een voltreffer van een van de twee dodelijke stralingskegels onze planeet ernstige problemen zal bezorgen.

Apep bestaat uit een dubbele ster met een derde ster in een baan eromheen. De twee sterren in de dubbelster zijn zogeheten Wolf-Rayet-sterren, een type ster dat ontstaat in de laatste paar honderdduizend jaar van het leven van een reuzenster.

Buiten de dubbelster bevindt zich een warrige nevel van uitgeworpen materiaal, wat erop duidt dat zeker een van de twee leden van de dubbelster extreem snel roteert.

Zo’n snel roterende ster is volgens de groep astronomen de meest voor de hand liggende bron van de lange gammaflitsen.

Harde gammastraling van een verre gammaflits dringt niet door de dampkring heen, maar wordt omgezet in blauwige Tsjerenkovstraling, die door grondtelescopen waarneembaar is.

© ken ikeda madsen & Pachango

Stralen treffen de atmosfeer

Harde gammastralen treffen luchtdeeltjes met de lichtsnelheid. De botsing brengt kortstondig elektromagnetisch blauw licht voort op 20 kilometer hoogte, Tsjerenkovstraling geheten.

© ken ikeda madsen & Pachango

Lichtbundel breidt zich uit

Het blauwe licht verspreidt zich in enkele nanoseconden tot een kegel die te zien is door telescopen op aarde. Die staan in groepen bij elkaar en observeren het licht vanuit verschillende hoeken.

© ken ikeda madsen & Pachango

Bron van gammaflits gevonden

Als de astronomen de resultaten van de telescopen combineren, kunnen ze de bron vinden en resten van de gammaflits onderzoeken: de nagloed van onder meer licht en röntgenstraling.

Om het verschijnsel beter te kunnen begrijpen zijn er meer gegevens nodig over gammaflitsen.

Kwamen dergelijke gegevens de laatste decennia van satellieten als de Swift en de ruimtetelescoop Fermi, nu richten de astronomen zich op waarnemingen vanaf de grond – vooral van het multinationale CTA-project.

De CTA of Cherenkov Telescope Array bestaat uit twee groepen Tsjerenkovtelescopen in Chili en op La Palma (een van de Canarische Eilanden voor de kust van West-Afrika).

Die telescopen kunnen gammafenomenen in het heelal detecteren. Wanneer de gammastralen luchtmoleculen in de bovenste atmosfeer raken, worden ze uiteengeslagen tot een bui van deeltjes met zeer hoge energie.

De deeltjes worden gedetecteerd in de vorm van Tsjerenkovstraling: blauw licht dat als een kegel naar de aardbodem straalt en zowel de kracht als de richting van de oorspronkelijke gammabron prijsgeeft.

Met honderden kleine telescopen is de CTA tien keer zo gevoelig als eerdere gammaobservatoria op aarde.

De eerste prototypen zullen vanaf 2022 in La Palma worden gebouwd en volgens plan slaan ze in 2026 flink aan het meten.

En op die manier krijgen astronomen nog meer inzicht in een van de weinige verschijnselen in het heelal waar ze niet dichter bij in de buurt zouden willen komen dan strikt noodzakelijk is.