Neutronensterren en pulsars

De dichtste stabiele materie in het universum

Probeer dit even voor je te zien: de massa van onze zon — 333.000 aardes — samengeperst in een bol zo groot als de stad Amsterdam. Één theelepel daarvan zou net zoveel wegen als de hele mensheid bij elkaar. Dat is een neutronenster. Op zwarte gaten na zijn dit de dichtste stabiele objecten in het heelal. Ze tarten bijna alles wat je intuïtief over materie denkt — en ze zijn echt.

Wat is een neutronenster?

Na de supernova van een zware ster (ongeveer 8 tot 25 zonsmassa's) blijft in het centrum iets over. Normale atomen houden het onder die druk niet uit: de elektronen worden letterlijk de protonen in geperst en vormen neutronen (proton + elektron → neutron + neutrino). Wat overblijft is in feite één gigantische atoomkern: een bol van pure neutronen.

De getallen zijn bijna onvoorstelbaar:

• Straal: ongeveer 10 kilometer — doorsnede dus zo'n 20 km.
• Massa: tussen 1,4 en ruim 2 zonsmassa's.
• Dichtheid: een theelepel weegt rond de miljard ton.
• Zwaartekracht aan het oppervlak: honderden miljarden keer die van de aarde.
• Kerntemperatuur: miljarden graden.
• Rotatie: vers gevormde neutronensterren kunnen honderden keer per seconde om hun as draaien.

Pulsars: kosmische vuurtorens

Sommige neutronensterren zijn ook pulsars. Twee eigenschappen maken ze bijzonder: (1) extreem sterke magneetvelden, triljoenen keer die van de aarde, en (2) razendsnelle rotatie. Samen produceren ze iets opmerkelijks.

Geladen deeltjes worden langs de magnetische polen naar buiten geslingerd en vormen twee smalle bundels straling. Die bundels draaien mee met de ster. Zwaait er zo'n bundel langs de aarde, dan zien we een korte puls radiostraling. Tik. Tik. Tik. Bij elke omwenteling één tik. De regelmaat is fabelachtig: de beste pulsars tikken zo stabiel dat ze concurreren met atoomklokken. Je kunt er je horloge op gelijkzetten.

De ontdekking: "Little Green Men"

Er zit een prachtig verhaal achter die ontdekking. In 1967 was Jocelyn Bell (toen Burnell, inmiddels Bell-Burnell) promovendus in Cambridge. Ze hielp een radiotelescoop bouwen voor haar begeleider Antony Hewish en werkte zich door honderden meters uitdraaien van papieren registratie heen. Daar viel haar op: een vreemd regelmatig signaal, elke 1,337 seconde een piek, mechanisch nauwkeurig.

Zoiets strak-periodieks was in de natuur nog nooit gezien. Half schertsend noemde het team het signaal "LGM-1" — Little Green Men. Niemand nam aliens serieus, maar niemand wist ook echt wat het wél was.

Binnen enkele maanden vond Bell een tweede, derde en vierde bron, op andere plekken aan de hemel. Geen aliens dus: het waren snel draaiende neutronensterren. De nieuwe categorie kreeg de naam "pulsar". Inmiddels kennen we er meer dan 3.000.

Bittere voetnoot: de Nobelprijs voor deze ontdekking ging in 1974 naar Hewish. Bell zelf kreeg niets. Het wordt breed gezien als een van de bekendste voorbeelden van vrouwelijke wetenschappers die niet de erkenning kregen die ze verdienden. Haar eigen reactie bleef sportief, maar de geschiedenis maakt het nog steeds goed met haar: talloze prijzen, een koninkrijks-onderscheiding, en in 2018 de Breakthrough Prize — die ze direct doneerde aan beurzen voor minderheden in de fysica.

Magnetars: nog extremer

Bij een handvol neutronensterren is het magneetveld zó sterk dat het alle andere overstijgt — duizend keer sterker dan dat van een normale pulsar. Dit zijn magnetars. Hun magneetveld is zo intens dat je, op een paar duizend kilometer afstand, je creditcards kwijt bent. Elektronica faalt. Zelfs je eigen watermoleculen zouden op moleculair niveau uit elkaar getrokken worden.

Om de zoveel jaar produceert een magnetar een "giant flare" — een plotselinge uitbarsting van röntgen- en gammastraling. Eén zo'n flare pompt in een fractie van een seconde meer energie de ruimte in dan de zon in 100.000 jaar uitstraalt.

In december 2004 ving een flare van de magnetar SGR 1806-20, op zo'n 50.000 lichtjaar afstand, alle röntgen-detectoren in het zonnestelsel kortstondig vol. Satellieten werden verzadigd. Onze ionosfeer werd merkbaar geraakt — door straling uit een object aan de andere kant van de Melkweg. Gelukkig staan magnetars meestal ver weg.

Kilonova's: botsende neutronensterren

Soms cirkelen twee neutronensterren om elkaar heen. Door het uitzenden van zwaartekrachtgolven verliezen ze energie, en spiralen ze langzaam naar elkaar toe. Na miljoenen jaren raken ze elkaar. Dat heet een kilonova, en het is een van de meest extreme gebeurtenissen die je je kunt voorstellen.

Op 17 augustus 2017 betrapten we zo'n botsing voor het eerst direct, op 130 miljoen lichtjaar afstand. LIGO ving de zwaartekrachtgolven op; seconden later detecteerden gammasatellieten en optische telescopen de flits en zijn nagloed. Voor het eerst in de geschiedenis zagen we hetzelfde gebeuren in zwaartekrachtgolven en in licht — het begin van "multi-messenger astronomie".

De uitkomst: twee supercompacte neutronenbollen versmelten binnen een fractie van een seconde. Hun buitenste lagen worden weggeblazen in een hete wolk van vers gesmede zware elementen. Veel van het goud, platina en uranium in het heelal komt uit zulke botsingen. Eén kilonova produceert naar schatting meer goud dan 300 aardmassa's. Denk daar even aan de volgende keer dat je een ring ziet glinsteren.

Neutronenster plus zwart gat

Er bestaan ook dubbelsystemen waarin een neutronenster en een zwart gat om elkaar draaien. In 2020 werden zulke fusies voor het eerst met zekerheid gedetecteerd via zwaartekrachtgolven. Het zwarte gat slokt de neutronenster simpelweg op. Een korte flits, een lange zwaartekrachtgolf-echo. Een van de wildste dansen die het heelal kent.

Een neutronenster in de buurt?

Geen zorgen. De dichtstbijzijnde bekende neutronensterren staan honderden lichtjaren weg, en ze bewegen langzaam in galactische termen. Zelfs als er eentje ooit onze kant op zou komen, zou dat miljoenen jaren duren. Een nabije kilonova binnen zo'n 50 lichtjaar zou wel verwoestend zijn — gammastraling zou de ozonlaag verschroeien — maar zulke botsingen gebeuren extreem zelden, en hoogstwaarschijnlijk niet in onze directe kosmische buurt.

Drie dingen om mee te nemen

1. Een neutronenster is een atoomkern ter grootte van een stadje. Zonsmassa in een bol van 20 km doorsnede. Een theelepel weegt een miljard ton.
2. Pulsars zijn draaiende neutronensterren met radiobundels. Hun tikken zijn zo regelmatig dat ze met atoomklokken concurreren — en hun ontdekking in 1967 door Jocelyn Bell opende een compleet nieuw venster op de kosmos.
3. Botsingen tussen neutronensterren maken het goud in je sieraden. Zwaartekrachtgolven én licht, tegelijk gemeten sinds 2017.

Volgende les gaan we nog één stap extremer. Als neutronenmaterie de dichtste stabiele materie is, dan zijn zwarte gaten de plek waar materie ophoudt als materie te bestaan. Voorbij de horizon wacht iets wat onze natuurkunde nog niet volledig kan beschrijven.

Tot dan. Blijf nieuwsgierig.