Pulsars - razendsnel tollende restanten van sterren - zijn extreme machines, maar ze houden zich volgens recent onderzoek keurig aan een snelheidslimiet. Andere waarnemingen door grotendeels hetzelfde team verwijzen echter de theorieën over de snelle fluctuaties in hun helderheid juist naar de schroothoop. Beide artikelen verschijnen zij aan zij in Nature van vandaag, 3 juli. NASA wijdde gisteren aan dit nieuwste pulsar-onderzoek een Space Science Update, een persconferentie die ook live werd uitgezonden op het NASA tv-kanaal.
Zelfs astronomen hebben moeite om zich iets voor te stellen bij een ster zwaarder dan de zon, samengeperst tot een bal van 20 kilometer diameter en die een paar honderd maal per seconde om z'n as draait. Dat is wat ontstaat in het binnenste van een middelzware supernova. Er resteert een extreem compacte neutronenster, die in tegenoverliggende richtingen twee bundels intense straling uitzendt. Als de aarde toevallig in het vlak ligt waarin de bundels ronddraaien, zien wij een pulsar, een puntvormige bron die met de regelmaat van een vuurtoren aan en uit floept.
Neutronensterren worden intensief bestudeerd met radiotelescopen en röntgen-satellieten zoals RXTE (de Rossi X-ray Timing Explorer). Sommigen hebben een partner, een gewone ster waarmee ze om hun gemeenschappelijk zwaartepunt draaien. Gas van de ster zal voortdurend overstromen naar de neutronenster, dat zich in een accretie-schijf verzamelt alvorens opgeslokt te worden. Zulke accreterende neutronensterren zouden steeds sneller moeten gaan draaien, omdat het naar binnen vallende gas z'n rotatie (impulsmoment) toevoegt aan de tollende neutronenster.
Onderzoek door een team van astronomen, waaronder Rudy Wijnands en Michiel van der Klis van de Universiteit van Amsterdam aan Rossi-waarnemingen wijst er nu op dat Einsteins relativiteitstheorie hier een barrière opwerpt. Voor het eerst kon namelijk van 11 accreterende neutronensterren met zekerheid de rotatie-snelheid worden vastgesteld, en de verdeling wijst op een maximum van 760 rotaties per seconde. Dit is andermaal een aanwijzing voor het bestaan van zwaartekrachts-straling. Volgens de relativiteitstheorie zullen zeer zware, snel roterende objecten die niet perfect bolvormig zijn deze vorm van straling gaan uitzenden, en wel des te meer naarmate ze sneller draaien. Het impulsmoment dat deze straling vertegenwoordigt gaat ten koste van de rotatie-snelheid van de neutronenster. Bij 760 rotaties per seconde ligt blijkbaar een grens, waar elke snelheidswinst meteen weer ongedaan gemaakt wordt door extra productie van zwaartekrachts-straling.
De onlangs opgestarte LIGO, de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, is afgestemd op zwaartekrachts-straling bij deze frequentie en zou door deze straling rechtstreeks te detecteren het bewijs voor deze conclusie leveren. LIGO bestaat uit twee detectors, elk meerdere kilometers lang, aan weerszijden van de Verenigde Staten.
Wijnands en Van der Klis leidden voorts het (grotendeels hetzelfde) team dat een andere theorie over het gedrag van neutronensterren juist onderuit haalt. Accretie is een proces waarbij met onregelmatige tussenpozen materie op de neutronenster terecht komt, wat gepaard kan gaan met een enorme, dagen durende uitbarsting van onder andere röntgen-straling. De röntgen-intensiteit tijdens zo'n uitbarsting vertoont echter ook een scala aan zeer snelle fluctuaties, op een schaal van milliseconden, die te maken moeten hebben met de rotatie-snelheid van de neutronenster zelf en van de materie daar omheen vlak voordat die opgeslokt wordt.
De gang van zaken laat zich vergelijken met een hakselmachine waar af en toe een boomtak in gestopt wordt: het algemene lawaainiveau hangt nauw samen met de grootte van de tak, maar de toonhoogtes met het toerental van de machine en het aantal hakmessen. Met name volgt uit de gangbare theorie dat de rotatiefrequentie van de neutronenster gelijk moet zijn aan het verschil in frequentie van de twee dominante 'toonhoogtes' in zo'n uitbarsting. Voor het eerst is nu door Wijnands c.s. een uitbarsting van een accreterende neutronenster geanalyseerd, waarvan de rotatiefrequentie al ondubbelzinnig was vastgesteld doordat de aarde in de rondzwiepende pulsar-bundel ligt.
Deze pulsar was in 1998 met de Rossi-satelliet ontdekt door Wijnands en Van der Klis in een röntgen-ster, SAX J1808.4-3658, die eerder gevonden was door Jean in 't Zand (et al. van SRON) met de Nederlands/Italiaanse BeppoSAX satelliet. Het was toen de allereerste accreterende milliseconde pulsar. Inmiddels zijn er nog vier ontdekt. Het verschil in beide 'toonhoogtes' tijdens de röntgen-uitbarsting blijkt maar de helft van de rotatiefrequentie van de neutronenster te zijn (respektievelijk 200 en 400 Hertz). Was dit het dubbele geweest of een ander veelvoud dan hadden de theoretici er nog wel een mouw aan kunnen passen door te stellen dat de neutronenster niet slechts één, maar meerdere 'hotspots' op z'n oppervlak heeft. Maar een factor half lijkt haast wel te betekenen dat een neutronenster twee keer om z'n eigen as moet draaien eer hij weer 'dezelfde kant op kijkt' , wat bijna onvoorstelbaar is. Deze ontdekking stuurt de theoretici dus weer helemaal terug naar de tekentafel.
Het onderzoeksteam bestaat uit: R. Wijnands, M. van der Klis (UvA), J. Homan, D.Galloway, D.Chakrabarty, C. Markwardt, E.Morgan en M.Muno.
Rudy Wijnands is gepromoveerd aan de UvA en vervolgde z'n loopbaan in de Verenigde Staten en Groot-Brittannië. Dankzij het NOVA 'overlap'-programma keert deze zeer succesvolle onderzoeker binnenkort terug naar Nederland, waar hij een vaste aanstelling krijgt aan het Anton Pannekoek instuuut van de UvA.