Persbericht

Hoeveel massa is er nodig voor een zwart gat?

Astronomen stellen bestaande theorieën op de proef

18 augustus 2010

Met behulp van ESO’s Very Large Telescope hebben Europese astronomen voor het eerst aangetoond dat een magnetar – een merkwaardig soort neutronenster – is voortgekomen uit een ster die zeker veertig keer zo zwaar was als onze zon. Dit resultaat is in strijd met bestaande theorieën over de evolutie van sterren: een ster van deze massa zou naar verwachting namelijk een zwart gat moeten zijn geworden, en niet een magnetar. En dat roept de fundamentele vraag op hoe zwaar een ster nu echt moet zijn om een zwart gat te worden.

Om tot hun conclusie te komen, hebben de astronomen gedetailleerd gekeken naar de bijzondere sterrenhoop Westerlund 1, die zich op een afstand van 16.000 lichtjaar in het zuidelijke sterrenbeeld Ara (Altaar) bevindt [1]. Uit eerder onderzoek (eso0510) was al gebleken dat Westerlund 1 de meest nabije ‘supersterrenhoop’ is. Hij bevat honderden zeer zware sterren, waarvan sommige bijna een miljoen keer zo veel licht produceren als onze zon en bijna tweeduizend keer zo groot zijn (oftewel: zo groot als de baan van Saturnus).

‘Als de zon in het hart van deze opmerkelijke sterrenhoop stond, zou onze nachthemel bezaaid zijn met honderden sterren met de helderheid van de volle maan,’ zegt Ben Ritchie, hoofdauteur van het artikel waarin deze resultaten staan.

Westerlund 1 is een fantastische ‘dierentuin’ van de meest uiteenlopende, exotische sterren. Die sterren hebben één ding gemeen: ze zijn vrijwel gelijktijdig ontstaan uit één en hetzelfde stervormingsproces. De sterrenhoop is naar schatting 3,5 tot 5 miljoen jaar oud.

Een magnetar (eso0831) is een soort neutronenster met een ongelooflijk sterk magnetisch veld – duizend biljoen keer zo sterk als dat van de aarde – die ontstaan is nadat een zware ster een supernova-explosie heeft ondergaan. De sterrenhoop Westerlund 1 bevat een van de weinige magnetars in ons melkwegstelsel. Het feit dat hij tot deze sterrenhoop behoort, brengt de astronomen tot de opmerkelijke conclusie dat deze magnetar moet zijn ontstaan uit een ster die zeker veertig keer zo zwaar was als de zon.

Aangezien alle sterren in Westerlund 1 even oud zijn, kan de ster die na zijn ontploffing een magnetar achterliet dus nooit langer hebben geleefd dan de overige sterren in de sterrenhoop. ‘Omdat de levensduur van een ster direct afhankelijk is van zijn massa – hoe zwaarder de ster, des te korter zijn leven – kunnen we er zeker van zijn dat de korter levende ster die magnetar werd nóg zwaarder moet zijn geweest,’ aldus medeauteur en teamleider Simon Clark. ‘Dat is van grote betekenis, omdat er nog geen algemeen aanvaarde theorie bestaat voor de vorming van zulke extreem magnetische objecten.’

Met die wetenschap hebben de astronomen de twee sterren in Westerlund 1 bestudeerd die de bedekkingsveranderlijke dubbelster W13 vormen. De massa’s van de sterren in zo’n dubbelstersysteem kunnen namelijk rechtstreeks worden afgeleid uit hun baanbewegingen.

Uit die massabepaling volgt dat de ster die magnetar is geworden zeker veertig keer zo zwaar moet zijn geweest als onze zon. Daarmee is voor het eerst aangetoond dat magnetars uit sterren kunnen ontstaan die dermate zwaar zijn, dat ze normaal gesproken een zwart gat zouden moeten vormen. Tot nog toe werd verondersteld dat sterren met beginmassa’s van 10 tot 25 zonsmassa’s neutronensterren vormen, en sterren van meer dan 25 zonsmassa’s zwarte gaten.

‘Deze sterren moeten meer dan negentig procent van hun massa kwijtraken voordat zij als supernova exploderen, anders zouden zij een zwart gat vormen,’ zegt mede-auteur Ignacio Negeruela. ‘Zo’n enorm massaverlies vóór de eigenlijke explosie vormt een grote uitdaging voor de bestaande theorieën over de evolutie van sterren.’

‘Dit roept dus de netelige vraag op hoe zwaar een ster moet zijn voordat hij ineenstort tot een zwart gat, als sterren van meer dan veertig zonsmassa’s daar al niet in slagen,’ concludeert mede-auteur Norbert Langer.

Het ontstaansmechanisme waar de astronomen de voorkeur aan geven, gaat er van uit dat de ster die magnetar werd – de zogeheten voorloper – bij zijn ontstaan in het gezelschap was van een andere ster. In de loop van hun evolutie zou de voorloper enorme hoeveelheden materie aan die begeleider hebben overgedragen. Dat er op dit moment geen ster in de buurt van de magnetar te vinden is, kan komen doordat de vermeende dubbelster door de supernova-explosie gescheiden is, waarna de magnetar en zijn begeleider met hoge snelheid uiteen zijn gegaan.

‘Als dat het geval is, kan dat betekenen dat de massaoverdracht in dubbelstersystemen een sleutelrol speelt bij de evolutie van sterren – bij dit ultieme kosmische ‘afslankplan’ kunnen zware sterren meer dan 95% van hun oorspronkelijke massa kwijtraken,’ besluit Clark.

Noten

[1] De open sterrenhoop Westerlund 1 is in 1961 vanuit Australië ontdekt door de Zweedse astronoom Bengt Westerlund, die later directeur van de ESO-sterrenwacht in Chili was (1970-1974). De sterrenhoop bevindt zich achter een enorme interstellaire wolk van gas en stof, die het licht van de sterrenhoop grotendeels tegenhoudt. De verzwakkingsfactor bedraagt meer dan 100.000, en dat is ook de reden waarom het zo lang heeft geduurd voordat de ware aard van deze sterrenhoop aan het licht kwam.

Westerlund 1 is een uniek natuurlijk laboratorium voor het onderzoek van de levensloop van de zwaarste sterren in ons melkwegstelsel. Uit waarnemingen leiden astronomen af dat deze extreme sterrenhoop waarschijnlijk maar liefst honderdduizend keer zo veel massa bevat als onze zon, terwijl zijn sterren minder dan zes lichtjaar van elkaar verwijderd zijn. Daarmee is Westerlund 1 de zwaarste en meest compacte jonge sterrenhoop die tot op heden in het Melkwegstelsel is ontdekt.

Alle sterren die tot nog toe in Westerlund 1 zijn onderzocht, zijn minstens dertig tot veertig keer zo zwaar als onze zon. Omdat zulke sterren een korte levensduur hebben, moet Westerlund 1 – astronomisch gezien dan – erg jong zijn. Astronomen schatten zijn leeftijd op 3,5 tot 5 miljoen jaar. Westerlund 1 is dus echt een ‘pasgeboren’ sterrenhoop.

Meer informatie

Het onderzoek dat in dit ESO-persbericht wordt gepresenteerd, zal binnenkort verschijnen in het vaktijdschrift Astronomy and Astrophysics (‘A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: II. Dynamical constraints on magnetar progenitor masses from the eclipsing binary W13’, door B. Ritchie et al.). Hetzelfde team publiceerde in 2006 de resultaten van een eerder onderzoek van dit object (‘A Neutron Star with a Massive Progenitor in Westerlund 1’, door M.P. Muno et al., Astrophysical Journal, 636, L41).

Het team bestaat uit Ben Ritchie en Simon Clark (The Open University, GB), Ignacio Negueruela (Universidad de Alicante, Spanje) en Norbert Langer (Universität Bonn, Duitsland, en Universiteit Utrecht, Nederland).

Bij hun onderzoek van de sterren in de sterrenhoop Westerlund 1 hebben de astronomen gebruik gemaakt van het FLAMES-instrument van ESO’s Very Large Telescope op de berg Paranal in Chili.

ESO, de Europese Zuidelijke Sterrenwacht, is de belangrijkste intergouvernementele sterrenkundeorganisatie in Europa, en het meest productieve astronomische observatorium ter wereld. ESO wordt ondersteund door 14 landen: België, 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 ontwerp, de bouw en het beheer van krachtige grondobservatoria die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. ESO speelt ook een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op sterrenkundig gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staat ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld. Ook is ESO de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA. Daarnaast is ESO momenteel bezig met ontwerpstudies voor de 42-meter Europese Extremely Large optische/nabij-infrarood Telescoop (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.

Links

• Onderzoeksartikel
• Meer informatie: Black Hole Press Kit

Contact

Simon Clark
The Open University
UK
Tel: +44 207 679 4372
E-mail: jsc@star.ucl.ac.uk

Ignacio Negueruela
Universidad de Alicante
Alicante, Spain
Tel: +34 965 903400 ext 1152
E-mail: ignacio.negueruela@ua.es

Richard Hook
ESO, La Silla, Paranal and E-ELT Press Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
E-mail: rhook@eso.org

Rodrigo Alvarez (press contact België)
ESO Science Outreach Network en Planetarium, Royal Observatory of Belgium
Tel: +32-2-474 70 50
E-mail: eson-belgië@eso.org

Connect with ESO on social media