De nieuwe ontdekking helpt niet alleen de oorsprong van lange gammaflitsen te verklaren, maar geeft ook inzicht in de aard en fysica van zwarte gaten.
Misschien kun je de eigenaardige gammaflits GRB211211A waar astronomen eind vorig jaar maar niet over uitgepraat raakten, nog wel herinneren. Onderzoekers hadden een lange gammaflits gespot, die na een grondige analyse niet het gevolg bleek te zijn van een supernova (wat in de lijn der verwachting lag) maar van een kilonova. Het bewees dat blijkbaar ook fusies tussen een neutronenster en een ander compact object (een andere neutronenster of een zwart gat) lange gammaflitsen kunnen genereren. Hoe GRB211211A echter het levenslicht zag, werd tot nu toe nog niet goed begrepen. Maar een nieuw onderzoeksteam denkt de ongekende en ongelofelijk heldere lichtuitbarsting nu toch te kunnen verklaren.
Gammaflitsen, de helderste en meest energieke verschijnselen in het heelal, kunnen worden verdeeld in twee klassen. Gammaflitsen die minder dan twee seconden duren worden beschouwd als korte GRB’s. Duurt een gammaflits langer dan twee seconden, dan wordt het beschouwd als een lange GRB. Al bijna twee decennia geloven astrofysici dat korte GRB’s het gevolg zijn van fusies van neutronensterren. Botsende neutronensterren kunnen vervolgens een zogenoemde kilonova voortbrengen; een explosie waarbij er zware elementen zoals goud worden weggeslingerd. Lange GBR’s zouden uitsluitend worden voortgebracht door het instorten van massieve sterren, waardoor een supernova ontstaat. Maar de lange gammaflits GRB211211A is een vreemde eend in de bijt. De lange gammaflits bleek zoals gezegd het gevolg te zijn van een kilonova, wat aantoonde dat blijkbaar ook samensmeltende neutronensterren of een fusie tussen een neutronenster en een zwart gat lange gammaflitsen kunnen genereren, iets dat tot voor kort onmogelijk werd beschouwd. De ontdekking daagde dan ook de huidige, heersende theorieën over hoe lange GRB’s worden gevormd, uit.
In de nieuwe studie hebben onderzoekers de fusie tussen een neutronenster en een zwart gat gesimuleerd. Een monsterklus. Het modelleren van dergelijke gebeurtenissen is heel ingewikkeld, met name omdat het hele proces slechts luttele seconden duurt. “Hier ligt dan ook de grootste uitdaging,” zegt onderzoeker Danat Issa. “Het is erg moeilijk om de evolutie van zo’n fusie vast te leggen met behulp van simulaties op supercomputers over een tijdsbestek van enkele seconden.” Toch slaagden ze erin om het hele proces – dus vanaf het moment vlak vóór de fusie tot aan het einde van de gammaflits – te simuleren. Omdat het zo’n ongelofelijk ingewikkelde en rekentechnische prestatie is, was dit hele scenario nog nooit eerder gemodelleerd.
De simulatie
In de simulatie smelten de compacte objecten samen, waardoor er een massiever zwart gat ontstaat. De intense zwaartekracht van het zwarte gat trekt het puin van de inmiddels vernietigde neutronenster naar zich toe. Voordat dit puin in het zwarte gat valt, wervelt een deel ervan eerst rond het zwarte gat in een gewelddadige draaikolk van gas, ook wel een accretieschijf genoemd. Deze is bijzonder massief, met een massa van een tiende van onze zon. Vervolgens valt het puin uit deze schijf in het zwarte gat, waardoor er een straalstroom (of jet) wordt gelanceerd die met bijna de lichtsnelheid uit het zwarte gat wordt gespuwd.
3D-simulatie van de fusie. Op deze beelden is te zien hoe er uit de samensmelting tussen een zwart gat en neutronenster een jet ontstaat. Afbeelding: Ore Gottlieb/Northwestern University
Verrassing
De echte verrassing kwam toen de onderzoekers de kracht van het magnetische veld van de enorme accretieschijf aanpasten. Want terwijl een sterk magnetisch veld resulteert in een korte, ongelofelijk heldere GRB, genereert een zwak magnetisch veld een jet die overeenkomt met waarnemingen van lange GRB’s. “Hoe sterker het magnetisch veld, des te korter de levensduur van de GRB,” legt onderzoeker Ore Gottlieb uit. “Zwakke magnetische velden produceren vervolgens zwakkere jets, iets wat een zwart gat langer kan volhouden.”
GRB211211A
Terug naar de ‘onmogelijke’ gammaflits GRB211211A. Want de onderzoekers denken deze gammaflits nu te kunnen verklaren. Hun simulaties suggereren namelijk dat wanneer de massieve accretieschijf een zwakker magnetisch veld heeft, het zwarte gat een jet lanceert met dezelfde helderheid en duur als de mysterieuze gammaflits GRB211211A. “Een belangrijk ingrediënt hier is dus de enorme schijf,” verduidelijkt Gottlieb. “Deze kan samen met een zwak magnetisch veld een gammaflits veroorzaken die vergelijkbaar is met de helderheid en de lange duur van GRB211211A. We verwachten bovendien dat ook andere binaire fusies die enorme schijven produceren iets soortgelijks teweeg kunnen brengen. Het hangt in feite allemaal samen met de schijfmassa na de fusie.”
De ontdekking van GRB211211A vertegenwoordigde een opwindende paradigmaverschuiving in de astronomie. En nu beginnen astronomen deze eigenaardige gammaflits eindelijk wat beter te begrijpen. De bevindingen helpen overigens niet alleen de oorsprong van lange GRB’s te verklaren, maar verschaffen ook inzicht in de aard en fysica van zwarte gaten, hun magnetische velden en accretieschijven. De onderzoekers houden het overigens nog niet voor gezien. Zo zijn ze van plan hun modellen te blijven verbeteren. “Ons doel is om uiteindelijk een uitgebreider en nog nauwkeuriger beeld te schetsen van de fusies tussen neutronensterren,” besluit Issa.
