Ultralumineuze röntgenbronnen zijn vaak meer dan honderd keer helderder dan ze zouden moeten zijn. Sterker nog, ze blijken zelfs de Eddingtonlimiet – die een grens stelt aan hoe helder een object op basis van zijn massa kan zijn – ver te overschrijden.
Misschien heb je weleens van ultralumineuze röntgenbronnen (ULX) gehoord. Dit zijn exotische kosmische objecten, die ongeveer 10 miljoen (!) keer meer energie produceren dan onze zon. Ze zijn zelfs zo stralend, dat ze de Eddingtonlimiet overschrijden. En niet zo’n beetje ook. ULX’en overschrijden deze limiet regelmatig 100 tot 500 keer! Wetenschappers staan dan ook voor een raadsel. Want klopt dit wel echt?
Eddingtonlimiet
De Eddingtonlimiet stelt zoals gezegd een grens aan hoe helder een object op basis van zijn massa kan zijn. Wanneer deze limiet wordt doorbroken, verwachten wetenschappers dat het object uit elkaar geblazen wordt. Toch is dit in het geval van ULX’en niet het geval. Hoe dit zit? Dat was lange tijd een mysterie. Maar onderzoekers denken nu toch een verklaring voor de intense helderheid die wordt uitgezonden door ultralumineuze röntgenbronnen te hebben gevonden.
NuSTAR-röntgentelescoop
Om tot die verklaring te komen, hebben astronomen voor het eerst NASA’s Nuclear Spectroscopic Telescope Array (de NuSTAR-röntgentelescoop) gebruikt om een ultralumineuze röntgenbron direct te meten. De bron, aangeduid als M82 X-2, is in feite een neutronenster op ongeveer twaalf miljoen lichtjaar afstand van de aarde. Uit de nieuwe meting blijkt dat deze ULX inderdaad veel te helder is. En dat is interessant. Eerdere theorieën suggereerden dat de extreme helderheid een soort optische illusie zou kunnen zijn, veroorzaakt door sterke winden, waardoor het ten onrechte lijkt alsof een ULX de helderheidslimiet overschrijdt. Maar uit de nieuwe studie blijkt dat die hypothese regelrecht de prullenbak in kan. M82 X-2 tart inderdaad op de een of andere manier de Eddingtonlimiet. En daarmee bevestigen de onderzoekers dat dit bizarre verschijnsel in de ruimte eigenlijk niet zou moeten kunnen bestaan.
Neutronenster
Toch is het een feit dat ULX’en bestaan. En dus gingen de onderzoekers op zoek naar het antwoord op de vraag hoe dat kan. Het heeft geleid tot een interessante theorie. Vroeger dacht men dat ULX’en enkel zwarte gaten konden zijn. Wanneer zwarte gaten door middel van hun sterke zwaartekracht gas en stof naar zich toetrekken, kunnen die materialen namelijk opwarmen en licht uitstralen. M82 X-2 is echter zoals gezegd een neutronenster. Net als zwarte gaten ontstaan neutronensterren wanneer een ster sterft en instort. Vervolgens wordt een massa, vergelijkbaar met die van onze zon, samengepakt in een gebied dat niet veel groter is dan een middelgrote stad.
Dichtheid
Door deze ongelofelijke dichtheid ontstaat er een bijzonder krachtige zwaartekracht aan het oppervlak van de neutronenster. Deze zwaartekracht is ongeveer 100 biljoen keer sterker dan de zwaartekracht aan het aardoppervlak. Dit betekent dat er enorm veel energie vrijkomt wanneer gas en ander materiaal dat door die zwaartekracht wordt meegesleurd, het oppervlak van de neutronenster raakt. Voor je beeldvorming, wanneer een marshmallow op het oppervlak van een neutronenster valt, zou dit een energie opleveren die gelijk staat aan duizend waterstofbommen!
Naburige ster
Uit de nieuwe bevindingen blijkt dat M82 X-2, net als een kosmische parasiet, ongeveer 9 miljard biljoen ton materiaal (wat overeenkomt met 1,5 aarde aan materiaal) per jaar van een naburige ster steelt. Zoals je je kunt voorstellen zal het er behoorlijk explosief aan toe gaan wanneer dit materiaal het oppervlak van de neutronenster raakt. Dit produceert dan ook het hoogenergetische röntgenlicht dat NuSTAR detecteert.
Kortom, de bevindingen duiden erop dat de bizarre helderheid van ULX’en te danken is aan hun sterke magnetische velden. De onderzoekers vermoeden dat door dit sterke magnetische veld de vorm van de atomen van de neutronenster verandert (van bolvormig naar langwerpig). Dit vermindert op zijn beurt het vermogen van de fotonen (of lichtdeeltjes) om deze atomen weg te duwen, waardoor uiteindelijk de maximaal mogelijke helderheid van een object toeneemt.
Al met al hebben de onderzoekers met hun studie niet alleen bevestigd dat ULX’en inderdaad de Eddingtonlimiet overschrijden, maar ook hóe ze dat doen. “Deze waarnemingen laten ons het effect van ongelooflijk sterke magnetische velden zien, die we met de huidige technologie nooit op aarde zouden kunnen reproduceren,” zegt onderzoeker Matteo Bachetti. Dat komt omdat het magnetische veld van ULX’en miljarden keren krachtiger is dan de sterkste magneten die ooit op aarde zijn gemaakt, waardoor het effect niet in het laboratorium kan worden nagebootst. “Dit is het mooie van astronomie,” vervolgt Bachetti. “Door de hemel te observeren krijgen we een steeds beter beeld van hoe het universum in elkaar steekt. Er bestaan in dit geval bovendien geen short cuts: we kunnen niet met behulp van experimenten snel antwoord krijgen. We moeten dus wachten tot het universum zelf haar geheimen prijsgeeft.”
