Astronomen hebben met een groot arsenaal aan telescopen voor het eerst elektromagnetische waarnemingen kunnen doen aan een bron van zwaartekrachtgolven. Het gaat om de samensmelting van twee neutronensterren, waarvan de zwaartekrachtgolven op 17 augustus 2017 zijn opgevangen door de LIGO-detectoren in de Verenigde Staten en de Virgo-detector in Europa.
Het is de eerste keer dat wetenschappers zowel zwaartekrachtgolven als elektromagnetische straling (gamma, röntgen, ultraviolet, infrarood, optisch en radio) hebben waargenomen van dezelfde gebeurtenis, dankzij een unieke wereldwijde samenwerking van zeventig onderzoeksteams en het gebruik van vele telescopen, waaronder de Nederlandse LOFAR-radiotelescoop en die van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) in Noord-Chili.
Theoretici hebben decennia geleden al voorspeld dat een botsing van neutronensterren zwaartekrachtgolven en een zogenoemde gammaflits zou produceren. Daarbij wordt een deel van het neutronenster-materiaal de ruimte in geslingerd, wat een signaal in het optisch en infrarood (een 'kilonova') oplevert en op langere termijn röntgen- en radiostraling.
De waargenomen kilonova en de bijzondere korte gammaflits die NASA’s Fermi-telescoop en ESA’s Integral-telescoop twee seconden na de detectie van GW170817 registreerden, bevestigen op spectaculaire wijze de theorie over de straling en materie die worden gegenereerd door de versmelting van neutronensterren, de extreem compacte, ineengestorte kernen van zware sterren die overblijven na supernova-explosies.
De bevindingen van de astronomen worden maandag 16 oktober gepubliceerd in tal van vaktijdschriften, waaronder Nature en Science. Daarnaast verschijnt een overzichtsartikel in Astrophysical Journal Letters. Op dit artikel staan naast de 1200 namen van de LIGO-Virgo-collaboratie ook de namen van 2400 sterrenkundigen die aan de vervolgwaarnemingen hebben meegewerkt.
Aan het onderzoek hebben ook tal van Nederlandse astronomen deelgenomen. Een van hen is de Nijmeegse astronoom Samaya Nissanke, die samen met haar groep een belangrijke rol heeft gespeeld in de totstandkoming van het ‘multi-messenger’-artikel. Zij is trots op het resultaat: “We hebben als wetenschappers laten zien dat we in staat zijn goed samen te werken en het is ongelofelijk dat er nu 70 teams van astronomen, die soms elkaars concurrenten zijn, allemaal op hetzelfde artikel staan.” UvA-astronoom Ralph Wijers, die 20 jaar geleden betrokken was bij de ontraadseling van gammaflitsen: “Dit is ontzettend spannend. Het doet me heel erg denken aan die tijd. En het mooie is dat we mede door wat we toen hebben geleerd zo goed waren voorbereid voor deze ontdekking.”
Een belangrijk sterrenkundig resultaat van de follow-upcampagne is de waarneming van de lang gezochte kilonova, de cataclysmische nasleep van de samensmelting van twee neutronensterren. Deze explosieve gebeurtenis is 1000 keer zo helder als een typische nova. Materiaal dat is overgebleven van de botsing wordt de ruimte in geblazen. Bij zo’n kilonova worden zware elementen als platina, lood en goud gevormd en verspreid door het heelal.
“Het is geweldig dat de kilonova nu zo duidelijk is gevonden,” zegt Paul Groot van de Radboud Universiteit en projectleider van BlackGEM, de array van telescopen die speciaal voor dit soort vervolgwaarnemingen wordt gebouwd. “De helderheid van het signaal laat zien dat we vanaf volgend jaar als onze BlackGEM-array klaar is en de LIGO/Virgo-detectoren weer gaan meten, een rijke oogst kunnen verwachten.”
"Uit de botsing is waarschijnlijk een zwart gat ontstaan," voegt Peter Jonker (SRON/Radboud Universiteit) toe. "Vlak voor de vorming van dit zwarte gat is materie de ruimte in geslingerd. Daaruit hebben zich weer zeldzame aardmetalen gevormd. We hebben dus in feite een ruimtelab gevonden waarin exotisch materie ontstaat. Echt spectaculair."
Afstandsschattingen op basis van zowel de zwaartekrachtgolf-data als andere waarnemingen plaatsen GW170817 op dezelfde afstand als NGC 4993, op zo’n 130 miljoen lichtjaar van de aarde. Dat maakt de bron niet alleen de dichtstbijzijnde zwaartekrachtgolfgebeurtenis tot nu toe, maar ook verreweg de meest nabije gammaflits-bron die ooit is gezien. Dus terwijl het ene mysterie lijkt te zijn opgelost, doemen andere op, want hoewel de afstand van de waargenomen korte gammaflits veel kleiner is dan die van eerder waargenomen korte gammaflitsen, is het signaal verrassend zwak voor deze afstand. Nieuwe modellen zijn nodig om dit te kunnen verklaren.
Ook Virgo-woordvoerder Jo van den Brand (Nikhef/VU) is verheugd: “Dat we meteen bij de eerste detectie van een dubbele-neutronensterbotsing zulke nieuwe dingen vinden is echt heel bijzonder.” Telescopen blijven de komende weken en maanden de nagloeier van de neutronensterbotsing waarnemen om zoveel mogelijk informatie te verzamelen over de diverse stadia van de samensmelting, de interactie met de omgeving en de processen die de zogenoemde zeldzame aardmetalen in het heelal produceren.
“Als over een jaar de LIGO/Virgo-detectoren na een serie technische verbeteringen nieuwe metingen gaan doen, kunnen we heel veel detecties verwachten,” zegt Radboud-astronoom Gijs Nelemans. “En dan kunnen we echt statistische studies gaan doen die ons vertellen hoe deze systemen ontstaan zijn.”
Meer beeldmateriaal en video's op de ESO-website
Multi-messenger-artikel in ApJ Letters
Detectie-artikel in PRL