2011-03 MIRA Ceti sprak met... Nathalie Degenaar

Wie houdt van bizarre toestanden zal bij een nadere kennismaking met de wereld van de sterrenkunde ruimschoots aan zijn trekken komen. Er zijn immers  in het heelal vele rare dingen te vinden – niet in de laatste plaats op onze eigen planeet ;-) – maar objecten die op vlak van extreme omstandigheden uitzonderlijk hoog scoren zijn ongetwijfeld neutronensterren.

Onlangs stond er op de webstek van de Nederlandse Onderzoeksschool Voor Astronomie (NOVA) een artikel over baanbrekend werk op het gebied van neutronensteronderzoek. Het leek ons dan ook een goed idee om even ons licht op te steken bij een van de betrokken onderzoekers, en zo kwamen we bij Nathalie Degenaar (°1980) terecht voor een aangenaam en verhelderend gesprek over die al te gekke neutronensterren en over haar eigen onderzoek in dat verband. Zij behaalde in december 2010 haar doctoraat aan het Sterrenkundig Instituut Anton Pannekoek en is momenteel als onderzoekster aan datzelfde instituut in Amsterdam verbonden.   

 

Jullie hebben op het dak van jullie instituut een eigen observatorium, Nathalie?

 

Dat klopt, ja. Omdat ik voor mijn eigen onderzoek vooral met waarnemingen via satellieten werk, heb ik er zelf nog geen gebruik van gemaakt, maar het is zeker een prima idee om voor onze studenten dergelijke instrumenten beschikbaar te stellen zodat zij er leren mee omgaan en hun eigen waarnemingen kunnen verrichten.

We zitten nog maar een paar jaar in dit nieuwe gebouw, en sinds zowat een jaar is ook ons observatorium operationeel. Je begrijpt dus dat alles nog niet voor honderd procent op punt staat en dat we nog een aantal zaken verder moeten ontwikkelen. Maar de studenten kunnen toch al wel hun ding doen, en aangezien wij met een spiegel van 51 cm momenteel de grootste telescoop in Nederland hebben vinden zij dat geweldig. En qua pr is dit observatorium natuurlijk ook belangrijk voor ons instituut.

 

Op jullie waarnemingssite vlak bij de binnenstad moeten jullie toch zeker veel last hebben van lichthinder?

 

Het is hier ’s avonds uiteraard verre van donker, maar met speciale filters kan toch heel wat storend licht tegengehouden worden. Bovendien kan men ook aan de slag met het waarnemen van een aantal heldere objecten zoals de Maan en planeten. En dan is er ook nog de Zon, en daarvoor zijn we momenteel bezig met de bouw van een speciale zonnetelescoop. Zoals je me eerder liet weten heeft jullie heliostaat mee als inspiratie gediend voor het ontwerpen van ons instrument.

 

Als we het hebben over neutronensterren en pulsars moet ik altijd denken aan de affaire rond Jocelyn Bell en haar unfaire lot i.v.m. de ontdekking van die curieuze objecten.

 

Het is inderdaad een heel berucht voorbeeld van iemand die een belangrijke ontdekking gedaan heeft terwijl een ander vervolgens met de eer gaat lopen.

In juli 1967 ontdekte zij als jonge onderzoekster aan de universiteit van Cambridge in de radiosignalen die zij onderzocht in opdracht van professor Hewish, haar promotor, regelmatige pulsen. Eerst dachten Bell en Hewish dat deze radiosignalen wellicht  afkomstig waren van een of andere aardse bron, maar dat bleek niet het geval te zijn. Toen kwamen ze op het idee dat het mogelijk signalen waren van buitenaards intelligent leven, en ze noemden de ontdekte bron daarom LGM-1, waarbij die letters staan voor Little Green Men. Kort nadien ontdekte hun team nog enkele gelijkaardige regelmatig pulserende radiobronnen, en na grondig onderzoek kwamen ze tot de conclusie dat het moest gaan om signalen van rondtollende neutronensterren.

Hoewel Jocelyn Bell dus de eigenlijke ontdekking gedaan heeft, kreeg Hewish als de promotor van het onderzoek daar in 1974 een Nobelprijs voor. Het is natuurlijk al een aantal decennia geleden, ik denk niet dat zoiets wraakroepends vandaag nog mogelijk zou zijn.

De eerste signalen van een pulsar zijn eigenlijk door Amerikaanse militairen opgepikt, maar dat bleek pas vele jaren later. Toen de Amerikanen vaststelden dat die radiopulsen zeker niet afkomstig waren van het Sovjetleger betoonden ze er geen verdere belangstelling voor. De wetenschappelijke relevantie ervan was toen duidelijk niet aan de orde.

 

Wat voor objecten zijn pulsars en neutronensterren?

 

Het zijn sterren die in de laatste fase van hun leven gekomen zijn. Zoals je weet doorloopt een ster een heel levenspad: ze wordt op een gegeven moment geboren, evolueert tot een soort adolescentenfase, en naarmate de tijd verstrijkt gaat ze het moeilijker krijgen om de kernfusie in haar midden in stand te houden. Tegen het eind van haar leven gaat ze de buitenste gaslagen wegblazen, bij de minder zware sterren vormt zich een zogenaamde planetair e nevel en blijft er centraal een witte dwergster over, bij de zwaardere sterren vindt er een supernova-explosie plaats waarbij in het midden een neutronenster of een zwart gat overblijft.

Neutronensterren zijn extreem compacte objecten: ze hebben een massa die vergelijkbaar is met die van onze Zon en een straal van zowat tien km, zoiets als een middelgrote stad als Amsterdam. Dat betekent dus dat er ontzettend veel materie in een heel klein volume is samengeperst.

 

Kan al die massa zomaar samengedrukt worden tot zo’n klein volume?

 

In gewone omstandigheden is dat onmogelijk, dat is waar, maar bij witte dwergen en neutronensterren is de invloed van de zwaartekracht zo onvoorstelbaar hoog dat de gewone atoomstructuren genegeerd kunnen worden en er zich gedegenereerde materie vormt. Bij neutronensterren worden de negatief geladen elektronen en de positief geladen protonen samengeperst zodat er elektrisch neutrale deeltjes of neutronen ontstaan. Vandaar ook de naam van dit soort sterren.

Die neutronen genereren een tegendruk die weerstand biedt aan de zwaartekracht zodat de hele boel niet verder instort tot een zwart gat. Tenzij natuurlijk de massa van de ster voorafgaand aan de supernova-explosie zodanig groot was dat er zich bij de implosie van de sterkern een zodanig compact object vormt dat zelf het licht er niet meer kan aan ontsnappen, en dan hebben we effectief te maken met een zwart gat. Voor wetenschappers is het bijzonder interessant om te achterhalen wat er met materie gebeurt onder zo’n extreme omstandigheden die ons voorstellingsvermogen ver te boven gaan. Misschien een wat luguber beeld, maar stel dat je alle mensen ter wereld in een luciferdoosje zou samenpersen, dan kan je de dichtheid daarvan vergelijken met die van een neutronenster.

De materie op zich waaruit neutronensterren bestaan is helemaal niet ongewoon, hier op Aarde komen we dezelfde soorten elementaire deeltjes tegen, maar het zijn de omstandigheden die er zo heel apart zijn met die gigantisch hoge zwaartekracht en bovendien ook nog uiterst krachtige magneetvelden die zich daar manifesteren. Hetgeen wij met onze onderzoeksgroep proberen te doen is het verkrijgen van inzicht in die extreme toestanden en het achterhalen van hoe een neutronenster er vanbinnen uitziet en functioneert.

 

Waarom heeft men soms over neutronensterren en dan weer over pulsars?

 

De objecten die door Bell en Hewish ontdekt werden bleken snel rondtollende neutronensterren te zijn die met regelmatige intervallen radiopulsen uitzenden, vandaar de naam ‘pulsating star’, afgekort wordt dat pulsar.

Neutronensterren worden gekenmerkt door krachtige stralenbundels aan beide magnetische polen. Die straling kunnen we enkel waarnemen als het magneetveld gekanteld staat t.o.v. de draaiingsas van de neutronenster waarbij die stralingsbundels door het draaien van de ster rondzwiepen zoals de lichten van een vuurtoren. Als zo’n bundel dan gericht is naar de Aarde zullen wij met speciale detectoren regelmatige radiopulsen kunnen opvangen van die neutronenster. 

We kunnen dus stellen: alle pulsars zijn neutronensterren, maar niet alle neutronensterren zijn pulsars.

 

Hoe ontstaan die ongemeen sterke magneetvelden bij neutronensterren?

 

Neutronensterren bestaan voornamelijk uit neutronen – ongeladen deeltjes dus, vandaar ook de naam die men dit soort objecten gegeven heeft, maar verder bevatten ze zeker ook nog voldoende protonen en elektronen met hun elektrische ladingen, en die zorgen voor een magneetveld. Dat het zo ontzettend sterk is komt doordat neutronensterren zo compact zijn: als een ster in elkaar stort, dan worden de magnetische veldlijnen van het aanwezige magneetveld heel dicht op elkaar gedrukt waardoor je netto aan de buitenkant te maken krijgt met een extreem versterkt magneetveld. Ik heb ooit eens de volgende beeldspraak gehoord om te schetsen hoe sterk dat magneetveld wel is: stel dat er een neutronenster in onze buurt zou staan, zo ongeveer waar de Maan nu staat, dan zou het magneetveld daarvan alle magneetstrips op bankpasjes e.d. overal op Aarde onbruikbaar maken.

 

Zelf hoorde ik voor het eerst over het bestaan van neutronensterren aan het begin van de jaren 1980 toen op de Vlaamse televisie de schitterende serie Cosmos van wijlen Carl Sagan uitgezonden werd. Daarin vertelde Sagan bv. hoe hij met een klein bolletje neutronenstermaterie het inwendige van de Aarde zou kunnen omvormen in een grote gruyèrekaas.

 

Best een grappig idee. Wat mij ook enorm fascineert is dat neutronensterren zo ontzettend snel rond hun as draaien. Neem nu de snelste neutronensterren, dan heb je het over een compacte bol ter grootte van een stad als Amsterdam die honderden keren per seconde om zijn as kan draaien, zoiets is toch echt zo ondenkbaar? We zouden toch verwachten dat die hele massa door de middelpuntvliedende kracht uit mekaar zou gerukt worden? We kunnen een theoretisch maximum berekenen van hoe hard zo’n neutronenster rond haar as moet kunnen draaien zonder uit elkaar te breken. En omdat ze kleiner en veel compacter zijn kunnen neutronensterren veel sneller ronddraaien dan witte dwergen.

Nog een raar idee is een direct effect van de relativiteitstheorie. Door de extreem krachtige zwaartekrachtsvelden bij neutronensterren kunnen we de zwaartekracht in een dergelijke omgeving niet op de klassieke manier beschrijven. Als je naar een neutronenster kijkt zou je verwachten dat je alleen de voorkant te zien krijgt, maar ten gevolge van de vervorming van de ruimte door die ongelooflijk compacte massa van de neutronenster worden de lichtstralen die aan de achterkant ervan worden uitgezonden zodanig gekromd dat je ze gewoon aan de voorkant kan zien.

 

Welke satellieten gebruiken jij en je collega’s om aan bruikbaar studiemateriaal te komen?

 

Aangezien de objecten die ons interesseren vooral stralen in het röntgengedeelte van het elektromagnetische spectrum zijn wij aangewezen op satellieten die dat soort bronnen kunnen detecteren. De NASA beschikt over het Chandra X-ray Observatory en de ESA heeft ook een röntgensatelliet, de XMM-Newton. Maar ik werk ook graag met de Amerikaanse Swift, dat is een satelliet die gebouwd is voor het detecteren van Gamma Ray Bursts, maar ze is ook geschikt voor het waarnemen van röntgendubbelsterren en bovendien is ze heel wendbaar en kan ze snel in de gewenste richting gedraaid worden, hetgeen soms handig kan zijn als we er voor een bepaalde waarneming snel bij moeten zijn.

 

Door dat regelmatige ritme van pulsars zou men ze als klokken kunnen gebruiken?

 

Op schaal van een mensenleven zijn de meeste van die radiopulsars wel erg betrouwbare klokken, het is pas als men ze over hele lange periodes bestudeert dat merkbaar zou zijn ze door verlies van impulsmoment steeds langzamer gaan draaien. We hebben het hier dan wel over de gewone radiopulsars, en niet over de röntgendubbelsterren waarover mijn onderzoek gaat.    

 

Kan aan de hand van opeenvolgende metingen van de draaiingsnelheid berekend worden wat de evolutie is van de rotatie van de pulsar?

 

Inderdaad, men kan een meting verrichten en die een paar jaar later herhalen. En door die beide resultaten te vergelijken zou men kunnen bepalen hoeveel seconden per seconde zo’n pulsar langzamer gaat draaien. Dus in principe kan je nu voorspellen hoe snel je pulsar over honderd of duizend jaar zal draaien, ten minste als er daar in de tussentijd niets onvoorziens gebeurt.

 

Een belangrijk onderzoeksdomein is dat van de exoplaneten. De eerste exemplaren werden trouwens ontdekt bij pulsars. Is dat niet raar om in een buurt waar zich niet zo lang voordien een supernova-explosie voordeed planeten aan te treffen?

 

Zeker. Een mogelijk scenario zou kunnen zijn dat ze na de sterexplosie ontstaan zijn. Die zorgt er immers voor dat heel veel stof en gas de ruimte wordt in geblazen, en dat is ideaal materiaal om een planeet mee te vormen. Maar het zou ook kunnen gaan om röntgendubbelsterren, waarbij een neutronenster vergezeld wordt door een andere object dan een ster, een planeet dus, waar de neutronenster materie van opslokt. In dat soort systemen gaat het inderdaad om een planeet die de supernova-explosie overleefd moet hebben. Het is inderdaad nog steeds een raadsel hoe zoiets mogelijk is. Voor dubbelstersystemen is het überhaupt al best lastig om na een supernova-explosie het dubbelsysteem intact te houden, laat staan voor een planeet.

 

Jouw onderzoek gaat o.a. over neutronensterren in binaire systemen, Nathalie?

 

Dat klopt. Onze Zon is een singuliere ster, maar verreweg de meeste sterren in het heelal staan in groepjes van twee of meerdere sterren, en in dat geval draaien ze om elkaar heen via een gemeenschappelijk zwaartekrachtspunt. Als vervolgens een van die sterren in bv. een dubbelstersysteem evolueert tot neutronenster en het koppel  blijft door de zwaartekracht aan elkaar gebonden, dan kan die neutronenster op een gegeven moment door haar extreem sterke zwaartekrachtsveld gas van de begeleidende ster beginnen aan te trekken. De begeleidende ster raakt haar buitenste lagen van gas dan kwijt en die vloeien naar de neutronenster toe. Aangezien de begeleider een ster is die rond haar as draait, zal het gas dat door de neutronenster opgeslorpt wordt die draaibeweging met zich meenemen, en bijgevolg zal dat gas niet rechtstreeks op de neutronenster vallen, maar in plaats daarvan gaat het er omheen draaien in een grote schijf. Je krijgt dit effect ook bij een badkuip die helemaal volstaat met water. Als je de stop eruit trekt, krijg je een soort draaikolk, en datzelfde mechanisme krijg je ook in ons dubbelstersysteem. Die grote schijf gas die rond de neutronenster draait wordt de accretieschijf genoemd. Bij dat proces botsen al die gasdeeltjes aan hoge snelheden met elkaar zodat de temperatuur daar oploopt tot miljoenen kelvin. En bij een dergelijke temperatuur manifesteert het licht dat wordt uitgezonden zich in het röntgenstralingsgebied. Dus daarom noemen we dit soort systemen allemaal röntgendubbelsterren.

 

Rondom een zwart gat vormt zich toch ook zo’n accretieschijf?

 

Precies. Exact hetzelfde mechanisme doet zich daar voor, en we noemen dat soort objecten dus ook röntgendubbelsterren. Het is soms best lastig om dan te weten te komen of we met een neutronenster of met een zwart gat te maken hebben. Als we erin slagen om de massa van het compacte object te bepalen, weten we dat we te maken hebben met een zwart gat als de massa van het bestudeerde object hoger blijkt te zijn dan de maximale massa die een neutronenster kan bevatten, wat overeenkomt met ongeveer drie keer de massa van de Zon. Er zijn ook bepaalde fenomenen die een oppervlak nodig hebben om te kunnen ontstaan. Zo zullen we röntgenpulsen of zogenaamde X-ray bursts die bij een röntgendubbelster worden waargenomen meteen mogen associëren met een neutronenster. Maar als we niets van die aard te zien krijgen en we kunnen de massa niet bepalen, dan weten we niet zeker of onze röntgendubbelster een neutronenster dan wel een zwart gat is. 

 

Kan het razendsnel ronddraaien van pulsars verklaard worden door het invangen van het gas uit die in een schijf ronddraaiende materie, net zoals men een tol met een zweepje steeds sneller kan doen draaien?

 

Daar kan je het inderdaad mee vergelijken. Het is lang een raadsel geweest hoe bepaalde radiopulsars zo heel snel rond hun as kunnen draaien, soms zelfs in milliseconden. Door de wet van behoud van impulsmoment kon men wel begrijpen dat ze bij hun ontstaan door het samentrekken van al die massa heel snel moesten draaien, maar na verloop van tijd zouden ze normaal gezien toch moeten vertragen. Toen heeft men het idee geopperd dat het wellicht gaat om pulsars in een dubbelstersysteem die steeds meer versnellen door het opslokken van vers aangevoerde materie van bij de begeleidende ster. En omstreeks het eind van de jaren 1990 heeft men dan inderdaad voor het eerst bewijs gevonden voor dat mechanisme toen er een röntgendubbelster werd ontdekt met een pulsar die in milliseconden rond zijn as draait. Het is trouwens Rudy Wijnands, mijn promotiebegeleider, die dat gepresteerd heeft, hij heeft voor zijn onderzoek in dit verband in 2006 een heel prestigieuze internationale prijs gewonnen, de Bruno Rossi prijs.

 

Samen met hem heb jij onlangs een interessante ontdekking gedaan die het internationale sterrenkundenieuws haalde. Kan je ons daar iets meer over vertellen?

 

We willen heel graag weten hoe een neutronenster er vanbinnen uitziet omdat dit ons informatie geeft over hoe materie zich gedraagt onder de extreme omstandigheden die daar heersen. Soms kunnen we bij een röntgendubbelster warmtestraling van het oppervlak van de neutronenster opvangen, en die warmtestraling werkt als een soort thermometer. Wij konden tijdens ons onderzoek aan een bepaalde neutronenster vaststellen hoe die gedurende een paar weken materie ging opslokken van zijn begeleidende ster en vervolgens daarmee stopte. We hebben de temperatuur voor en na de accretie met elkaar vergeleken, en toen bleek dat na de accretie de temperatuur aanzienlijk hoger was. Deze ontdekking is een bevestiging van een theorie die stelt dat als een neutronenster materie gaat opslokken zij een beetje samengeperst wordt, en dat samenpersen veroorzaakt in het inwendige allerlei nucleaire reacties waarbij warmte vrijkomt.

Wij verwachten nu dat binnen een paar maanden of een jaar die neutronenster weer af zal koelen tot het niveau dat zij had voor zij die materie begon op te slokken. Als we na de opwarming die afkoeling ook effectief zouden kunnen registreren, dan zegt ons dat iets over hoe die neutronenster er vanbinnen uitziet. Wat er daar precies gebeurt hangt heel sterk af van de structuur van de buitenste lagen van die neutronenster en van wat voor materie we daar aantreffen. Je hebt daar een kortst die bestaat uit allemaal atomen, maar we weten niet precies of die atomen chaotisch door elkaar zitten of juist heel geordend zijn zodat ze een roosterstructuur hebben zoals bv. in ijzer het geval is. Uit waarnemingen zoals die van ons blijkt dat warmte heel efficiënt geleid wordt in de buitenlagen, hetgeen enkel kan als die erg geordend zijn. En dingen te ontdekken die voorheen nog niet geweten waren is best wel opwindend.

 

Dus zoals men in de asteroseismologie de trillingen van een ster gebruikt om de inwendige structuur te achterhalen doen jullie dat op basis van de temperatuurregeling aan het oppervlak van de neutronenster?

 

Dat is inderdaad een goede vergelijking.

 

Het is alleszins knap werk van jullie! Nu komt het erop aan om de evolutie van de temperatuur daar te kunnen blijven volgen.

 

En dat is niet altijd makkelijk want daarvoor moeten we extra waarneemtijd krijgen met de Chandra, en er is altijd meer vraag dan er waarneemtijd beschikbaar is. Normaal kan je maar een keer per jaar waarnemingen aanvragen, maar in uitzonderlijke gevallen wijkt men daar wel van af. Zo hebben wij o.w.v. het belang van onze ontdekking onlangs een nieuwe waarneming gekregen, en daarmee konden we zien dat de neutronenster inderdaad een beetje is afgekoeld. Het is nog niet opnieuw het temperatuurniveau van voor de opwarming, maar we hopen binnen enkele maanden nog een waarneming te krijgen om de evolutie te kunnen opvolgen. Maar we zijn alvast heel blij dat we na de opwarming nu ook getuige kunnen zijn van een periode van afkoeling aan de buitenste lagen van deze neutronenster, en we gaan daar uiteraard ook een wetenschappelijk artikel over schrijven.

 

Zijn er nog doorbraken in jouw onderzoeksdomein die jij de komende jaren verwacht?

 

Een raadsel i.v.m. het onderzoek naar neutronensterren is dat men verwacht dat er een maximale draaisnelheid is, als de neutronenster sneller rondtolt zou zij uit elkaar geblazen worden. Het gekke is dat de snelste neutronenster die ooit gevonden is behoorlijk ver van die theoretische limiet afligt. We vragen ons af waarom we geen neutronensterren vinden die sneller draaien. Een mogelijke verklaring zou kunnen zijn dat het uitzenden van gravitatiestraling voorkomt dat een neutronenster sneller kan draaien dan hetgeen we momenteel waarnemen. Maar er wordt wel gezocht naar die heel snelle neutronensterren die we submillisecondenpulsars noemen. Mocht er zo een ontdekt worden zou dat zeer spectaculair nieuws zijn in mijn gebied.

 

Eind dit jaar trek jij voor het vervolg van je onderzoek als Hubble Fellow naar de VS. Wat wil dat precies zeggen?

 

Jaarlijks reikt de NASA een aantal onderzoeksbeurzen uit voor binnen- en buitenlandse postdocs via het Hubble Fellowship Programma. Dit jaar zijn er 17 Hubble Fellowships toegekend, en daarvan is er één voor mij bestemd op basis van het onderzoeksvoorstel dat ik geschreven heb. Per 1 december trek ik voor drie jaar naar Amerika, en daar zal ik aan de universiteit van Michigan proberen te ontdekken waarom bepaalde röntgendubbelsterren zo’n lage helderheid hebben. Dat zou eventueel kunnen omdat de begeleidende ster erg klein is, of misschien is die begeleider wel een planeet. Het voordeel van in Amerika te gaan werken is dat de grote universiteiten daar vlot toegang hebben tot allerlei observatoria op Aarde maar ook in de ruimte. Vanuit Nederland is het vaak moeilijk om voor je onderzoek steeds aan de gewenste data te kunnen komen. Bovendien wordt in Nederland ook wel verwacht dat je een paar jaar ervaring opdoet in het buitenland als je door wil gaan in de sterrenkunde.

 

Hartelijke dank voor het boeiende interview, Nathalie, en veel succes met je verdere sterrenkundige carrière!