Magnetars zijn de bizarre supercompacte overblijfselen van supernova-explosies. Ze zijn voor zover bekend de sterkste magneten in het heelal – miljoenen keren sterker dan de sterkste magneten op aarde. Een team van Europese astronomen heeft nu, met behulp van ESO’s Very Large Telescope (VLT), voor het eerst een magnetar met een begeleidende ster ontdekt.
Deze ontdekking helpt verklaren hoe magnetars ontstaan – een vraagstuk waar al 35 jaar mee wordt geworsteld – en waarom deze specifieke ster niet tot een zwart gat ineen is gestort, zoals astronomen zouden verwachten. Wanneer een zware ster tijdens een supernova-explosie onder zijn eigen zwaartekracht bezwijkt, verandert hij in een neutronenster of een zwart gat. Magnetars zijn zeer exotische neutronensterren. Net als andere neutronensterren zijn ze heel klein en buitengewoon compact – een theelepel neutronenstermaterie zou een massa van ongeveer een miljard ton hebben – maar daarnaast hebben ze ook extreem krachtige magnetische velden. De oppervlakken van magnetars produceren intense uitbarstingen van gammastraling, die optreden wanneer de spanningen in hun korst zo hoog oplopen dat er een zogeheten sterbeving ontstaat.
De sterrenhoop Westerlund 1 [1], die op een afstand van 16.000 lichtjaar in het zuidelijke sterrenbeeld Altaar staat, bevat één van de ruim twintig magnetars die tot nu toe in de Melkweg zijn ontdekt. Het object, dat CXOU J164710.2-455216 wordt genoemd, bezorgt astronomen al geruime tijd hoofdbrekens. ‘In ons eerdere onderzoek (eso1034) hebben we aangetoond dat de magnetar in de sterrenhoop Westerlund 1 (eso0510) moet zijn ontstaan bij de explosieve dood van een ster die ongeveer veertig keer zo zwaar was als de zon. Maar dit introduceert een nieuw probleem, omdat zulke zware sterren na hun dood naar verwachting ineenstorten tot zwarte gaten, niet tot neutronensterren. We begrepen maar niet hoe deze een magnetar kon zijn geworden,’ zegt Simon Clark, hoofdauteur van het artikel waarin deze resultaten worden gepresenteerd.
Astronomen bedachten een uitweg. Zij opperden dat de magnetar was ontstaan door de interacties tussen twee zeer zware sterren die op zo’n kleine afstand om elkaar heen draaien dat ze binnen de omloopbaan van de aarde om de zon zouden passen. Maar tot nu toe was er op de plek van de magnetar in Westerlund 1 geen begeleidende ster opgemerkt. Daarom werd de VLT ingeschakeld om er in andere delen van de sterrenhoop naar te gaan zoeken. De astronomen zochten naar wegloopsterren – objecten die met hoge snelheid aan de sterrenhoop ontsnappen – die door de supernova-explosie waarbij de magnetar is ontstaan zijn ‘weggeschopt’. Bij een van de sterren van de sterrenhoop, Westerlund 1-5 [2], bleek inderdaad de juiste kenmerken te vertonen. ‘NIet alleen heeft deze ster een snelheid die het gevolg kan zijn van een supernova-explosie, hij is ook veel te helder om als enkelvoudige ster geboren te zijn. Bovendien heeft hij een ongewoon koolstofrijke samenstelling die een enkelvoudige ster onmogelijk tot stand kan brengen – een duidelijk bewijs dat hij oorspronkelijk een begeleider moet hebben gehad,’ aldus Ben Ritchie (Open University), mede-auteur van het nieuwe onderzoeksverslag.
Dankzij deze ontdekking konden de astronomen reconstrueren waarom er in dit geval een magnetar is ontstaan in plaats van het verwachte zwarte gat [3]. Het begon ermee dat de zwaarste van de twee sterren zonder brandstof kwam te zitten, opzwol en zijn buitenste lagen overdroeg aan zijn minder zware begeleider – de latere magnetar – waardoor deze steeds sneller ging draaien. Deze snelle rotatie lijkt een essentiële voorwaarde te zijn voor de vorming van het ultra-sterke magnetische veld van de magnetar. Ten gevolge van de massa-overdracht werd de begeleidende ster vervolgens zo zwaar dat deze op zijn beurt een aanzienlijk deel van zijn zojuist verworven massa afstootte. Veel van deze massa is verloren geraakt, maar een deel ervan bereikte de oorspronkelijke ster, die we nu kennen als Westerlund 1-5.
‘Het is deze uitwisseling van materiaal die Westerlund 1-5 een unieke chemische signatuur heeft gegeven en ervoor heeft gezorgd dat de massa van zijn begeleider voldoende afnam om een magnetar te laten ontstaan in plaats van een zwart gat,’ concludeert teamlid Francisco Najarro (Centro de Astrobiología, Spanje). Het lijkt er dus op dat het hebben van een stellaire begeleider een essentiële voorwaarde is voor het ontstaan van een magnetar. De snelle rotatie die het gevolg is van de massa-overdracht tussen twee sterren lijkt noodzakelijk om het ultra-sterke magnetische veld te genereren, en vervolgens zorgt een tweede fase van massa-overdracht ervoor dat de magnetar-in-wording voldoende afslankt om uiteindelijk niet tot een zwart gat ineen te storten.
Noten
[1] De open sterrenhoop Westerlund 1 is in 1961 vanuit Australië ontdekt door de Zweedse astronoom Bengt Westerlund, de latere directeur van ESO in Chili (1970-1974). Deze sterrenhoop bevindt zich achter een enorme interstellaire wolk van gas en stof, die 99,999 procent van zijn zichtbare licht tegenhoudt. Daarom heeft het zo lang geduurd om de ware aard van deze specifieke sterrenhoop te ontdekken.
Westerland 1 is een uniek natuurlijk laboratorium voor het onderzoek van extreme stellaire fysica, dat astronomen veel informatie geeft over ontstaan en levensloop van de zwaarste sterren in de Melkweg. Uit hun waarnemingen leiden astronomen af dat deze extreme sterrenhoop maar liefst 100.000 zonsmassa’s aan sterren bevat, die zich binnen een straal van minder dan zes lichtjaar van elkaar bevinden. Daarmee is Westerlund 1 een van de zwaarste compacte sterrenhopen die tot nu toe in de Melkweg zijn ontdekt.
Alle onderzochte sterren van Westerlund 1 hebben dertig tot veertig keer zoveel massa als de zon. Omdat zulke sterren maar kort leven – astronomisch gezien dan – moet Westerlund 1 heel jong zijn. Astronomen schatten zijn leeftijd op 3,5 tot 5 miljoen jaar. Daarmee behoort Westerlund 1 tot de jongste sterrenhopen van onze Melkweg.
[2] De volledige aanduiding van deze ster is Cl* Westerlund 1 W 5.
[3] Naarmate sterren ouder worden verandert de chemische signatuur van hun kernreacties – elementen die deze reacties voeden raken uitgeput, en de eindproducten van deze reacties stapelen zich op. Aanvankelijk is de chemische vingerafdruk van de ster rijk aan waterstof en stikstof, maar arm aan koolstof. Pas heel laat in het leven van een ster neemt de koolstofsignatuur toe; tegelijkertijd worden waterstof en stikstof teruggedrongen. Aangenomen wordt dat het onmogelijk is dat enkelvoudige sterren tegelijkertijd rijk zijn aan waterstof, stikstof en koolstof, zoals bij Westerlund 1-5 het geval is.
Meer informatie
De resultaten van het onderzoek die in dit ESO-persbericht worden gepresenteerd zullen binnenkort verschijnen in het vaktijdschrift Astronomy and Astrophysics (‘A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: IV.Wd1-5 binary product and a pre-supernova companion for the magnetar CXOU J1647-45’ van J.S. Clark et al.). Hetzelfde team heeft in 2006 een eerste onderzoek van dit object gepubliceerd (‘A Neutron Star with a Massive Progenitor in Westerlund 1’ van M.P. Muno et al., Astrophysical Journal, 636, L41).
Het onderzoeksteam bestaat uit Simon Clark en Ben Ritchie (The Open University, VK), F. Najarro (Centro de Astrobiología, Spanje), Norbert Langer (Universität Bonn, Duitsland, en Universiteit Utrecht, Nederland) en Ignacio Negueruela (Universidad de Alicante, Spanje).
Bij hun onderzoek van de sterren van de Westerlund 1 hebben de astronomen gebruik gemaakt van het FLAMES-instrument van de Very Large Telescope van de ESO-sterrenwacht op Paranal, Chili.
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die uitsluitend is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
