Astronomen hebben ESO’s Very Large Telescope en een aantal radiotelescopen elders ter wereld gebruikt om een bizar stellair duo op te sporen en te onderzoeken. Het om elkaar heen draaiende tweetal bestaat uit de zwaarste neutronenster die tot nu toe is opgespoord en een witte dwergster. Dankzij deze vreemde nieuwe dubbelster kan Einsteins zwaartekrachtstheorie – de algemene relativiteitstheorie – sterker op de proef worden gesteld dan tot nu toe mogelijk was.
Tot nu toe komen de waarnemingen exact overeen met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie en zijn zij in strijd met die van enkele alternatieve theorieën. De resultaten zullen op 26 april 2013 in het tijdschrift Science verschijnen. Een internationaal onderzoeksteam heeft een bijzonder object ontdekt: een piepkleine, maar ongewoon zware neutronenster die 25 keer per seconde om zijn as tolt, waar eens in de tweeënhalf uur een witte dwergster omheen wentelt. De neutronenster is een pulsar die radiogolven uitzendt die met radiotelescopen op aarde kunnen worden ontvangen. Hoewel dit exotische duo op zichzelf al heel interessant is, is het ook een uniek laboratorium voor het toetsen van natuurkundige theorieën.
De pulsar, die PSR J0348+0432 heet, is het overblijfsel van een supernova-explosie. Hij is tweemaal zo zwaar als de zon, maar slechts twintig kilometer groot. De zwaartekracht aan zijn oppervlak is meer dan 300 miljard keer zo sterk als die op aarde, en de materie in zijn kern is zo sterk samengeperst dat een stukje ter grootte van een suikerklontje meer dan een miljard ton weegt. De begeleidende witte dwerg is al bijna net zo exotisch: het betreft het gloeiende overblijfsel van een veel minder zware ster die zijn atmosfeer heeft afgestoten en langzaam afkoelt.
‘Ik nam dit stelsel waar met ESO’s Very Large Telescope, om te zoeken naar veranderingen in het licht van de witte dwerg die het gevolg zijn van zijn beweging om de pulsar,’ zegt John Antoniadis, promovendus aan het Max-Planck Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn en hoofdauteur van het artikel. ‘Een snelle analyse leerde me dat de pulsar nogal een zwaargewicht is. Hij heeft twee keer zoveel massa als de zon en is daarmee niet alleen de zwaarste neutronenster die we kennen, maar ook een uitstekend fysisch laboratorium.’
Einsteins algemene relativiteitstheorie, die de zwaartekracht verklaart als een gevolg van de kromming van de ruimtetijd door de aanwezigheid van massa en energie, heeft sinds haar publicatie, bijna een eeuw geleden, alle tests doorstaan. Maar zij kan niet de definitieve verklaring zijn en zal op enig moment tekortschieten [1].
Natuurkundigen hebben diverse alternatieve zwaartekrachtstheorieën ontwikkeld die andere voorspellingen doen dan de algemene relativiteitstheorie. Voor sommige van deze theorieën zouden deze verschillen alleen tot uiting komen in extreem sterke zwaartekrachtsvelden die nergens in ons zonnestelsel te vinden zijn. Qua zwaartekracht is PSR J0348+0432 werkelijk een extreem object, zelfs in vergelijking met andere pulsars die zijn gebruikt om Einsteins algemene relativiteitstheorie nauwkeurig op de proef te stellen [2]. In zulke sterke zwaartekrachtsvelden kan een kleine toename van de massa tot grote veranderingen in de ruimtetijd rond zulke objecten leiden. Tot nu toe hadden astronomen geen idee wat er zou gebeuren bij een zware neutronenster als PSR J0348+0432. Dit object biedt dus de unieke mogelijkheid om de algemene relativiteitstheorie strenger te toetsen dan tot nu toe mogelijk was.
Het team heeft waarnemingen van de witte dwerg met de Very Large Telescope gecombineerd met een zeer nauwkeurige timing van de pulsar met radiotelescopen [3]. Zo’n compacte dubbelster zendt zwaartekrachtsgolven uit en verliest daardoor energie. Dit leidt ertoe dat de afstand tussen de beide objecten heel langzaam kleiner wordt en hun omlooptijd afneemt. De algemene relativiteitstheorie en de alternatieve theorieën doen verschillende voorspellingen voor die afneming.
‘Onze radiowaarnemingen waren zo nauwkeurig, dat we een verandering in de omlooptijd van 8 miljoenste van een seconde per jaar hebben kunnen meten – precies wat Einsteins theorie voorspelt,’ aldus teamlid Paulo Freire. En dit is nog maar het begin van het nauwkeurige onderzoek van dit unieke object: mettertijd zullen astronomen J0348+0432 gebruiken om de algemene relativiteitstheorie nog sterker op de proef te stellen.
‘Ik nam dit stelsel waar met ESO’s Very Large Telescope, om te zoeken naar veranderingen in het licht van de witte dwerg die het gevolg zijn van zijn beweging om de pulsar,’ zegt John Antoniadis, promovendus aan het Max-Planck Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn en hoofdauteur van het artikel. ‘Een snelle analyse leerde me dat de pulsar nogal een zwaargewicht is. Hij heeft twee keer zoveel massa als de zon en is daarmee niet alleen de zwaarste neutronenster die we kennen, maar ook een uitstekend fysisch laboratorium.’
Noten
[1] De algemene relativiteitstheorie is niet verenigbaar met de andere belangrijke theorie van de 20ste-eeuwse natuurkunde, de kwantummechanica. Ook voorspelt zij dat er onder bepaalde omstandigheden singulariteiten bestaan – gebieden waar de in de gewone natuurkunde geldende wetten niet geldig zijn, bijvoorbeeld in het centrum van een zwart gat.
[2] De eerste dubbelpulsar, PSR B1913+16, is ontdekt door Joseph Hooton Taylor jr. en Russell Hulse, die daarvoor in 1993 de Nobelprijs van de natuurkunde hebben ontvangen. Zij deden heel nauwkeurige metingen van de eigenschappen van dit bijzondere object en stelden vast dat deze exact in overeenstemming waren met het energieverlies ten gevolge van zwaartekrachtsstraling, zoals voorspeld door de algemene relativiteitstheorie.
[3] Bij dit onderzoek is gebruik gemaakt van gegevens van de radiotelescopen van Effelsberg, Arecibo en Green Bank en van waarnemingen met ESO's Very Large Telescope en de William Herschel Telescope.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel 'A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Orbit' van John Antoniadis e.a., dat op 26 april 2013 in het tijdschrift Science verschijnt.
Het onderzoeksteam bestaat uit John Antoniadis (Max-Planck-Institut für Radioastronomie [MPIfR], Bonn, Duitsland), Paulo C.C. Freire (MPIfR), Norbert Wex (MPIfR), Thomas M. Tauris (Argelander Institut für Astronomie, Bonn; MPIfR), Ryan S. Lynch (McGill University, Montreal, Canada), Marten H. van Kerkwijk (Universiteit van Toronto, Canada), Michael Kramer (MPIfR; Jodrell Bank Centre for Astrophysics, Universiteit van Manchester, Verenigd Koninkrijk), Cees Bassa (Jodrell Bank), Vik S. Dhillon (Universiteit van Sheffield, Verenigd Koninkrijk), Thomas Driebe (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Bonn), Jason W. T. Hessels (ASTRON, het Nederlands Instituut voor Radioastronomie, Dwingeloo; Universiteit van Amsterdam), Victoria M. Kaspi (McGill University), Vladislav I. Kondratiev (ASTRON; Lebedev Instituut voor Fysica, Moskou, Rusland), Norbert Langer (Argelander Institut für Astronomie), Thomas R. Marsh (Universiteit van Warwick, Verenigd Koninkrijk), Maura A. McLaughlin (West Virginia University), Timothy T. Pennucci (Vakgroep Astronomie, Universiteit van Virginia), Scott M. Ransom (National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, VS), Ingrid H. Stairs (Universiteit van British Columbia, Vancouver, Canada), Joeri van Leeuwen (ASTRON; Universiteit van Amsterdam), Joris P. W. Verbiest (MPIfR), David G. Whelan (Vakgroep Astronomie, Universiteit van Virginia).
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO's Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die uitsluitend is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die 'het grootste oog op de hemel' ter wereld zal worden.
