Neutronensterren en zwarte gaten staan berucht om hun enorme zwaartekracht waardoor ze gas uit hun omgeving opslokken. Deze kosmische kannibalen spugen echter ook grote hoeveelheden gas terug de ruimte in via krachtige straalstromen, jets genoemd. Dit soort jets spelen een belangrijke rol in het universum. Sterrenkundigen begrijpen echter nog niet hoe ze precies gevormd worden, hoeveel gas er in jets naar buiten schiet en hoe snel de jets bewegen.

Een team van astronomen heeft nu voor het eerst gezien hoe explosies op het oppervlak van neutronensterren hun jets doen oplichten. De onderzoekers denken dat dit komt doordat de explosies ervoor zorgen dat er extra gas in de jet wordt gepompt. Ook konden ze voor het eerst de snelheid van een jet bij een neutronenster bepalen.

Radio gecombineerd met röntgen
De onderzoekers vingen in april en oktober 2021 radiostraling op met behulp van de Australia Telescope Compact Array van CSIRO, het wetenschapsagentschap van Australië. Tegelijkertijd bestudeerden ze röntgenstraling met de Integral-satelliet van ESA. Als de onderzoekers met Integral uitbarstingen van röntgenstraling zagen, wat duidt op een explosie aan het oppervlak van de ster, zochten ze in de Australische gegevens naar veranderingen in de radiostraling van de jet. Daarbij bestudeerden ze twee frequenties van radiostraling, die op verschillende plekken in de jet worden uitgezonden.

Vervolgens maten ze met geavanceerde technieken de vertraging tussen de röntgenstraling en de radiostraling op de twee verschillende frequenties. Daardoor konden ze als het ware traceren hoe gas nabij de neutronenster de jet in werd gepompt en door de jet heen bewoog. Hierdoor konden ze de snelheid bepalen van het gas in de jet.

De jets bleken met zo'n 114.000 kilometer per seconde te bewegen, dat is ongeveer een derde van de lichtsnelheid. Dit is een stuk langzamer dan de snelheden die eerder voor de jets van enkele zwarte gaten waren gemeten. De onderzoekers vermoeden dat de massa of rotatiesnelheid van een neutronenster of een zwart gat bepalend is voor de eigenschappen van jets. Om erachter te komen welke specifieke eigenschap de snelheid bepaalt, gaan de onderzoekers het onderzoek herhalen bij andere neutronensterren.

Dankzij hoog-risicosubsidie
'Nadat ik het idee voor dit nieuwe experiment had ontwikkeld, lukte het jarenlang niet om via de gebruikelijke route waarneemtijd bij een radiotelescoop te krijgen,' zegt Nathalie Degenaar, sterrenkundige aan de Universiteit van Amsterdam. Vakgenoten wezen haar aanvragen steeds af, omdat er relatief veel waarneemuren nodig waren terwijl de kans groot was dat het experiment zou mislukken.

In 2020 kreeg Degenaar een XS-beurs van NWO die ze samen met toenmalig promovendus Jakob van den Eijnden (nu University of Warwick, Verenigd Koninkrijk) had aangevraagd. Die beurs is speciaal bedoeld voor zogeheten high-risk-high-gainexperimenten. Met die beurs konden de astronomen ruim drie dagen aan waarneemtijd kopen. 'En nu hebben we dus aangetoond dat de methode werkt. Dat is geweldig,' aldus Degenaar.

Eerste auteur Thomas Russell (voorheen Universiteit van Amsterdam, nu werkzaam bij het Italiaanse Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica in Palermo) is opgetogen: 'We hadden wel verwacht dat de röntgen-explosies enige invloed op de jet zouden hebben, maar zo'n duidelijk effect zagen we niet aankomen.'

Medeauteur Jakob van den Eijnden vult aan: 'Dit is echt een bijzondere ontdekking. We hebben nu een herhaalbare aanpak waarmee we er eindelijk achter kunnen komen hoe deze jets ontstaan.'

Wetenschappelijk artikel
Thermonuclear explosions on neutron stars reveal the speed of their jets. Door: Thomas D. Russell, Nathalie Degenaar, Jakob van den Eijnden, Thomas Maccarone, Alexandra J. Tetarenko, Celia Sánchez-Fernández, James C.A. Miller-Jones, Erik Kuulkers & Melania Del Santo. In: Nature, <datum> 2024. Original: <link>. Preprint: <link>