Een artist's impression van het binaire systeem NGC 1851E, kijkend over de schouder van de donkere mysterieuze begeleidende ster MPIfR; Daniëlle Futselaar (artsource.nl), CC BY
Soms komen astronomen objecten tegen aan de hemel die we niet eenvoudig kunnen verklaren. In ons nieuwe onderzoek, gepubliceerd in Science, melden we zo’n ontdekking, die waarschijnlijk tot discussie en speculatie zal leiden.
Neutronensterren behoren tot de dichtste objecten in het heelal. Ze zijn zo compact als een atoomkern, maar zo groot als een stad en verleggen de grenzen van ons begrip van extreme materie. Hoe zwaarder een neutronenster is, hoe groter de kans dat hij uiteindelijk ineenstort tot iets dat nog dichter is: een zwart gat.
Deze astrofysische objecten zijn zo dicht en hun zwaartekracht is zo sterk dat hun kernen – wat ze ook mogen zijn – permanent van het heelal worden afgeschermd door event horizons: oppervlakken van perfecte duisternis waaruit licht niet kan ontsnappen.
Als we ooit de fysica op het kantelpunt tussen neutronensterren en zwarte gaten willen begrijpen, moeten we objecten vinden op deze grens. In het bijzonder moeten we objecten vinden waarvoor we precieze metingen over lange perioden kunnen doen. En dat is precies wat we hebben gevonden – een object dat duidelijk noch een neutronenster noch een zwart gat is.
Toen we diep in de sterrenhoop NGC 1851 keken, zagen we wat een sterrenpaar lijkt te zijn dat een nieuwe kijk biedt op de uitersten van de materie in het heelal. Het systeem bestaat uit een milliseconde pulsar, een soort snel ronddraaiende neutronenster die stralen van radiolicht door de kosmos stuurt terwijl hij ronddraait, en een massief, verborgen object van onbekende aard.
Het massieve object is donker, wat betekent dat het onzichtbaar is op alle lichtfrequenties – van de radio tot de optische, röntgen- en gammastralenbanden. Onder andere omstandigheden zou dit het onmogelijk maken om het te bestuderen, maar hier komt de milliseconde pulsar ons te hulp.
Millisecondepulsars zijn verwant aan kosmische atoomklokken. Hun spins zijn ongelooflijk stabiel en kunnen nauwkeurig worden gemeten door de regelmatige radiopuls die ze creëren te detecteren. Hoewel ze intrinsiek stabiel zijn, verandert de waargenomen spin wanneer de pulsar in beweging is of wanneer zijn signaal wordt beïnvloed door een sterk zwaartekrachtsveld. Door deze veranderingen waar te nemen, kunnen we de eigenschappen van lichamen in banen met pulsars meten.
Ons internationale team van astronomen heeft de MeerKAT radiotelescoop in Zuid-Afrika gebruikt om dergelijke waarnemingen te doen aan het stelsel dat NGC 1851E wordt genoemd.
Deze waarnemingen stelden ons in staat om de banen van de twee objecten nauwkeurig te detailleren en lieten zien dat hun dichtstbijzijnde naderingspunt met de tijd verandert. Zulke veranderingen worden beschreven door Einsteins relativiteitstheorie en de snelheid van een verandering vertelt ons iets over de gecombineerde massa van de hemellichamen in het systeem.
Onze waarnemingen onthulden dat het NGC 1851E systeem bijna vier keer zoveel weegt als onze zon en dat de donkere begeleider, net als de pulsar, een compact object was – veel dichter dan een normale ster. De meest massieve neutronensterren wegen ongeveer twee zonsmassa’s, dus als dit een dubbel neutronenstersysteem zou zijn (systemen die bekend en bestudeerd zijn), dan zou het twee van de zwaarste neutronensterren moeten bevatten die ooit zijn gevonden.
Om de aard van de begeleider te ontdekken, zouden we moeten begrijpen hoe de massa in het systeem over de sterren is verdeeld. Opnieuw gebruikmakend van Einsteins algemene relativiteit, zouden we het systeem in detail kunnen modelleren en vinden dat de massa van de begeleider tussen 2,09 en 2,71 keer de massa van de zon ligt.
De massa van de begeleider valt binnen de “black hole mass gap” die ligt tussen de zwaarst mogelijke neutronensterren, waarvan gedacht wordt dat ze rond de 2,2 zonsmassa’s liggen, en de lichtste zwarte gaten die gevormd kunnen worden door stellaire ineenstorting, rond de 5 zonsmassa’s. De aard en vorming van objecten in deze kloof is een open vraag in de astrofysica.
Mogelijke kandidaten
Wat hebben we dan precies gevonden?
Een verleidelijke mogelijkheid is dat we een pulsar hebben ontdekt in een baan rond de overblijfselen van een fusie (botsing) van twee neutronensterren. Zo’n ongebruikelijke configuratie wordt mogelijk gemaakt door de dichte pakking van sterren in NGC 1851.
Op deze drukke stellaire dansvloer draaien sterren om elkaar heen en wisselen van partner in een eindeloze wals. Als twee neutronensterren te dicht bij elkaar komen, komt hun dans tot een catastrofaal einde.
Het zwarte gat dat door hun botsing ontstaat, en dat veel lichter kan zijn dan het zwarte gat dat ontstaat door het instorten van sterren, is dan vrij om door de cluster te zwerven totdat het een ander paar dansers in de wals vindt en, nogal onbeleefd, zichzelf inbrengt – waarbij het de lichtere partner eruit schopt. Het is dit mechanisme van botsingen en uitwisselingen dat zou kunnen leiden tot het systeem dat we nu waarnemen.
Simulatie van de drielichamen-interactie die vermoedelijk het NGC 1851E-systeem heeft voortgebracht.
We zijn nog niet klaar met dit systeem. Er wordt al hard gewerkt om de ware aard van de begeleider onomstotelijk vast te stellen en te onthullen of we het lichtste zwarte gat of de meest massieve neutronenster hebben ontdekt – of misschien wel geen van beide.
Op de grens tussen neutronensterren en zwarte gaten bestaat altijd de mogelijkheid dat er een nieuw, nog onbekend astrofysisch object bestaat.
Er zal zeker veel speculatie volgen op deze ontdekking, maar wat nu al duidelijk is, is dat dit systeem een immense belofte inhoudt als het gaat om het begrijpen van wat er werkelijk gebeurt met materie in de meest extreme omgevingen in het heelal.
Benjamin Stappers ontvangt financiering van UKRI.
Arunima Dutta en Ewan D. Barr werken niet voor, hebben geen adviesfuncties, bezitten geen aandelen in en ontvangen geen financiering van bedrijven of organisaties die baat zouden hebben bij dit artikel en hebben geen relevante banden bekendgemaakt buiten hun academische aanstelling.
