ESO-telescopen zien voor het eerst licht van een bron van zwaartekrachtgolven

De ESO-vloot van telescopen in Chili heeft de eerste optische tegenhanger waargenomen van een bron van zwaartekrachtgolven. Deze historische waarnemingen geven aan dat het gaat om de versmelting van twee neutronensterren. De cataclysmische nasleep van zo’n samensmelting is een lang voorspelde gebeurtenis die ‘kilonova’ wordt genoemd. Daarbij worden zware elementen als goud en platina in het heelal verspreid. De ontdekking, gepubliceerd in verscheidene papers in Nature en andere vaktijdschriften, is ook het sterkte bewijs tot op heden dat korte gammaflitsen worden veroorzaakt door de samensmelting van neutronensterren.

Het is de eerste keer dat astronomen zowel zwaartekrachtgolven als elektromagnetische straling (licht) hebben waargenomen van dezelfde gebeurtenis, dankzij een gezamenlijke mondiale inspanning en de snelle reacties van ESO-faciliteiten en andere telescopen over de hele wereld. Op 17 augustus 2017 detecteerde het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory LIGO, dat samenwerkt met de Virgo-interferometer in Italië, zwaartekrachtgolven. Deze vijfde detectie kreeg de naam GW170817. Ongeveer twee seconden later detecteerden twee ruimtetelescopen (NASA’s gammatelescoop Fermi en ESA’s gammatelescoop Integral) een korte gammaflits afkomstig uit hetzelfde gebied aan de hemel.

Het LIGO–Virgo-observatorium plaatste de bron in een uitgebreid gebied aan de zuidelijke hemel, ter grootte van een paar honderd volle manen en met miljoenen sterren [1]. Terwijl de nacht inviel in Chili speurden veel telescopen dit gebied aan de hemel af op zoek naar nieuwe bronnen. Hieraan deden mee: ESO’s Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA) en VLT Survey Telescope (VST) op de Paranal-sterrenwacht, de Italiaanse Rapid Eye Mount (REM) telescoop op ESO’s La Silla-sterrenwacht, de LCO 0.4-meter telescope op Las Cumbres Observatory, en de Amerikaanse DECcam op Cerro Tololo Inter-American Observatory. De Swope 1-metre telescope was de eerste die een nieuwe lichtbron zag. Hij leek dicht bij NGC 4993 te staan, een lensvormig sterrenstelsel in het sterrenbeeld Hydra (Waterslang), en VISTA-waarnemingen stelden de positie van de bron op hetzelfde moment vast op infraroodgolflengten. Later in de nacht pikten ook de telescopen Pan-STARRS en Subaru op Hawaï de bron op die snel evolueerde. “Er zijn maar weinig gelegenheden waarbij je als wetenschapper de kans hebt om getuige te zijn van de start van een nieuw tijdperk,” zegt Elena Pian, astronoom aan INAF, Italië. Zij is eerste auteur van een van de Nature-papers. “Dit is zo’n kans!”

ESO lanceerde een van de grootste gelegenheids-waarneemcampagnes ooit en vele ESO- en ESO-gerelateerde telescopen namen het object waar in de weken na de detectie [2]. ESO’s Very Large Telescope (VLT), New Technology Telescope (NTT), de VST, de MPG/ESO 2.2-metre telescope en de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) [3] namen allemaal deel aan de vervolgwaarnemingen van de gebeurtenissen en de na-effecten, over een breed golflengtegebied. Zo’n 70 telescopen rond de wereld deden mee aan de campagne, inclusief de NASA/ESA Hubble Space Telescope.

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 een van de meest nabije gammaflits-bronnen die ooit is gezien [4]. Alleen zwaartekrachtgolven - rimpelingen in de ruimtetijd – die worden gecreëerd door snelle veranderingen in de snelheid van zeer zware objecten kunnen op dit moment worden opgevangen. Een van dit soort gebeurtenissen is de versmelting van twee neutronensterren, de extreem compacte, ineengestorte kernen van zware sterren die overblijven na supernova-explosies [5]. Deze samensmeltingen waren de belangrijkste hypothese om korte gammaflitsen te verklaren. Een explosieve gebeurtenis die 1000 keer zo helder is dan een typische nova – een zogeheten kilonova – volgt naar verwachting op zo’n gebeurtenis.

De vrijwel gelijktijdige detectie van zowel zwaartekrachtgolven als gammastraling van GW170817 geeft hoop dat dit object inderdaad de lang gezochte kilonova is. Waarnemingen met ESO-faciliteiten hebben eigenschappen onthuld die opvallend dicht bij de theoretische voorspellingen komen. Kilonova’s zijn meer dan 30 jaar geleden al voorgesteld, maar dit is de eerste bevestiging. Na de samensmelting van de twee neutronensterren verliet een snel uitdijende uitbarsting van radioactieve zware chemische elementen de kilonova, op bijna een vijfde van de lichtsnelheid. De snel bewegende materie werd gevolgd door twee langzamer bewegende winden. De kleur van de kilonova verschoof van zeer blauw naar zeer rood in de dagen erna, een veel snellere verandering dan eerder in sterexplosies is gezien.

“Toen het spectrum op onze schermen verscheen realiseerde ik me dat dit de ongebruikelijkste transient was die ik ooit had gezien,” vertelt Stephen Smartt, die de waarnemingen met ESO’s NTT leidde als onderdeel van het Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects-waarneemprogramma. “Ik had nog nooit zoiets gezien. Onze data, en ook die van andere groepen, bewezen dat het geen supernova of een variabele ster op de voorgrond was, maar iets heel opmerkelijks.” Spectra van ePESSTO en het X-shooter-instrument op de VLT tonen de aanwezigheid van cesium en tellurium aan, uitgestoten door de samensmeltende neutronensterren. Deze waarnemingen pinnen de vorming van elementen die zwaarder zijn dan ijzer vast op kernreacties binnen sterren met een hoge dichtheid, wat bekend staat als r-proces nucleosynthese en tot nu toe alleen in theorie bestond.

“De data komen zeer goed overeen met de theorie. Het is een overwinning voor de theoretici, een bevestiging dat de LIGO-Virgo-gebeurtenissen absoluut echt zijn, en een succes voor ESO dat zo’n fantastische dataset over de kilonova heeft verzameld,” voegt Stefano Covino toe, eerste auteur van een van de Nature Astronomy-papers.

“ESO’s kracht is dat het met een groot arsenaal aan telescopen en instrumenten grote en complexe astronomische projecten aankan, in korte tijd. We zijn het nieuwe tijdperk van de multi-messengerastronomie binnengetreden!” concludeert Andrew Levan, hoofdauteur van een van de papers.

Noten

[1] De LIGO-Virgo-detectie plaatste de bron binnen een hemelgebied van ongeveer 35 vierkante graad.

[2] Het sterrenstelsel was alleen in augustus ’s avonds waarneembaar en stond vervolgens te dicht bij de zon aan de hemel om de waarnemingen in september te kunnen voortzetten.

[3] Op de VLT werden de waarnemingen gedaan met de X-shooter-spectrograaf die gekoppeld is aan Unit Telescope 2 (UT2); de FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2 (FORS2) en de Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) – Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA) (NACO) van Unit Telescope 1 (UT1); de VIsible Multi-Object Spectrograph (VIMOS) en VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared (VISIR) van Unit Telescope 3 (UT3), en de Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) en High Acuity Wide-field K-band Imager (HAWK-I) van Unit Telescope 4 (UT4). The VST deed waarnemingen met OmegaCAM en VISTA met de VISTA InfraRed CAMera (VIRCAM). Via het ePESSTO-programma verzamelde de NTT zichtbaar-lichtspectra met de ESO Faint Object Spectrograph and Camera 2 (EFOSC2) spectrograaf en infraroodspectra met de Son of ISAAC (SOFI) spectrograaf. De MPG/ESO 2,2-metre telescoop deed waarnemingen met behulp van de Gamma-Ray burst Optical/Near-infrared Detector (GROND).

[4] De betrekkelijk kleine afstand tussen de aarde en de samensmeltende neutronensterren, 130 miljoen lichtjaar, heeft de waarnemingen mogelijk gemaakt. Samensmeltende neutronensterren veroorzaken namelijk zwakkere zwaartekrachtgolven dan samensmeltende zwarte gaten, die de waarschijnlijke oorzaak waren van de eerste vier detecties van zwaartekrachtgolven.

[5] Wanneer twee neutronensterren om elkaar heen wentelen, verliezen ze energie door het uitzenden van zwaartekrachtgolven, waardoor hun onderlinge afstand afneemt. Wanneer ze uiteindelijk samenkomen wordt een deel van hun massa volgens Einsteins beroemde formule E=mc2 omgezet in energie, in de vorm van een heftige uitbarsting van zwaartekrachtgolven.