Ultrakleine zwaargewichten zitten astronomen dwars

De neutronenster HESS J1731-347 is twee keer zo licht als logisch zou zijn. Dit zet de kennis over neutronensterren op zijn kop – het kan betekenen dat zelfs neutronen in nog kleinere bestanddelen gehakt kunnen worden, waardoor er nog onbekende soorten sterren ontstaan.

Materie is extreem dicht

Een neutronenster is een zeer compacte ster met een diameter van slechts zo’n 30 kilometer, die echter twee keer zo veel massa als de zon kan hebben. Zo’n kleine zwaargewicht ontstaat als reuzensterren, 8 tot 20 keer zo zwaar als de zon, al hun brandstof erdoorheen hebben gejaagd en als supernova’s exploderen.

De pogingen van de zwaartekracht om alle materie samen te trekken, worden in het leven van de ster tegengewerkt door de straling van de verbrandingsprocessen in de kern. Is de brandstof echter op, dan neemt de zwaartekracht het volledig over. De buitenste gas­laag van de ster beukt op de kern in, waardoor deze samengedrukt wordt tot nog geen miljoenste van zijn oorspronkelijke volume en de materie van toestand verandert.

Atomen worden verpulverd. Protonen slokken elektronen op en veranderen in neutronen, die zich extreem dicht opeenpakken in een kleine, compacte ster.

In andere sterren houdt de sterke kernkracht protonen en neutronen in de kern dicht bij elkaar. Maar omdat deze kracht vecht tegen de afstoting tussen de positief geladen protonen in de kern, is er een grens aan de hoeveelheid materie die samengeperst kan worden – zelfs onder de hevige druk in de kern van een ster.

In een neutronenster bestaat de kern veelal uit elektrisch neutrale neutronen, die elkaar niet afstoten. Daardoor kan materie zo sterk worden samengeperst dat één theelepeltje neutronenmaterie meer dan 1 miljard ton weegt.

De grootte en massa van neutronensterren zijn echter moeilijk te meten, want die zenden alleen röntgenstraling uit, en geen zichtbaar licht. Om een idee te kunnen krijgen hoe groot en zwaar een neutronenster is, moeten de astronomen weten hoe ver weg hij is – en daar hebben ze hulp bij nodig van zijn naaste buren.

Neutronenster is te klein

Veel neutronensterren vormen een paar met een gewone ster. Met hun telescopen kunnen astronomen de afstand meten tot de zichtbare ster, en daardoor ook tot de neutronenster. Zo kunnen ze de grootte van de neutronenster berekenen.

Het team van Victor Dorosjenko heeft deze methode gebruikt om de neutronenster HESS J1731-347 in het sterrenbeeld Schorpioen te wegen en te meten.

De ster bevindt zich nog in een dikke stofwolk van de supernova-explosie en wordt verlicht door een zichtbare buurster. Met behulp van de Gaia-satelliet van ESA hebben de astronomen de afstand tot de buurster precies kunnen bepalen.

Gaia draait met de aarde mee om de zon, en is een halfjaar later 300 miljoen kilometer verder, maar aan de andere kant van de zon. Ook daar kunnen telescopen van de Gaia metingen doen aan de ster bij HESS J1731-347.

Uit de metingen blijkt dat de ster – en dus de neutronenster – 8000 lichtjaar ver zijn, wat dichterbij is dan we dachten.

Vervolgens keek Victor Dorosjenko naar de grootte van de neutronenster. Hoe krachtiger de röntgenstraling die een neutronenster uitzendt ten opzichte van de afstand ertoe, hoe groter en zwaarder hij is. Maar uit de observaties bleek dat HESS J1731-347 te zwak straalde voor zijn korte afstand, waardoor de neutronenster lichter en kleiner is dan mogelijk leek.

De Duitse onderzoekers berekenden dat de kleine zwaargewicht slechts 0,77 keer de massa van de zon heeft, en een diameter van slechts 20,8 kilometer. Dit in tegenspraak met astrofysische modellen, die stellen dat neutronensterren zelden minder dan 1,4 keer de zonnemassa wegen.

‘Neutronensterren ontstaan bij supernova-explosies, door het instorten van de kern van een reuzenster, en we begrijpen niet hoe dat proces zo’n kleine neutronenster kan voortbrengen,’ zegt Victor Dorosjenko tegen Wetenschap in Beeld.

Als we de modellen tot het uiterste oprekken, zijn neutronensterren met 1,1 keer de zonnemassa in theorie mogelijk, maar ook dan nog valt de geringe massa van HESS J1731-347 buiten alle kaders.

Onderdeurtje kan uit quarks bestaan

Een nieuwe theorie over de vreemde kern van neutronensterren stelt dat de kern van de ster nog meer samengeperst kan worden dan de superzware neutronenmaterie. Dit gebeurt wanneer de neutronen in de kern worden verbrijzeld tot een soep van vrije quarks, die een ongelooflijk hoge massadichtheid heeft.

‘Als gewone materie in de kern van de neutronenster plotseling verandert in quarkmaterie, komt er een explosie die enkele neutronen in de buitenste lagen de ruimte in schopt, waardoor de massa van de ster afneemt. Als dit is gebeurd in HESS J1731-347, verklaart dat zijn geringe massa,’ aldus Victor Dorosjenko.

De neutronen in de kern kunnen ook worden omgezet in pionen: deeltjes die bestaan uit een quark en een antiquark. Normaal exploderen pionen in een fractie van een seconde, maar onder de extreme druk binnenin een neutronenster kunnen ze stabiel zijn. De kwantumtoestand van de deeltjes is dan perfect gecoördineerd, waardoor de kern fungeert als één groot, extreem massief superatoom.

Een derde optie: de kern verandert in een ‘gemuteerd’ neutron, een hyperon, dat volgens de theorie nog compacter kan zijn dan gewone neutronen.

Onderzoekers willen in de ster kijken

Astronomen gebruiken hun telescopen om te ontrafelen wat er precies gebeurt in de kern van een neutronenster en hoe materie zich gedraagt bij de meest extreme dichtheid in het heelal.

Door de verhouding massa/omvang van neutronensterren nauwkeuriger te meten, kan meer betrouwbare informatie worden verkregen over hun structuur.

HESS J1731-347 zal hierbij een sleutelrol spelen. De meeste neutronensterren draaien honderden keren per minuut rond en hebben een sterk magnetisch veld, maar HESS J1731-347 is rustiger. Dat maakt de metingen betrouwbaarder en de berekeningen makkelijker.

In 2035 lanceert ESA de grote röntgentelescoop Athena, die veel meer röntgenstraling van de neutronenster opvangt en de precisie verder kan vergroten.

Of metingen nu uitwijzen dat de kern van neutronensterren bestaat uit gewone neutronen, quarkmaterie, een gigantisch superatoom of gemuteerde neutronen, het is de meest compacte toestand van materie in het hele heelal.

‘Wordt de materie nog verder samengeperst, dan is de vorming van een zwart gat de volgende stap,’ zegt Dorosjenko.

Het kantelpunt is van groot belang: vormt de supermassieve materie een neutronenster, of wordt ze omgevormd tot een extreme kromming van de ruimte in de vorm van een zwart gat? Het kan de kwantummechanica, die de wereld van de atomen beschrijft, verenigen met de relativiteitstheorie, die de zwaartekracht en de ruimte beschrijft. En het kan licht werpen op de kern van neutronensterren – en leiden tot een ‘theorie van alles’.