Wanneer een zware ster (grofweg 8 tot 25 keer zo zwaar als de zon) aan het einde van haar leven komt, stort haar kern in tijdens een supernova-explosie. De buitenste lagen worden de ruimte in geblazen, maar de kern wordt zo hevig samengeperst dat protonen en elektronen in elkaar worden geduwd en samen neutronen vormen. Het resultaat is een neutronenster: een object dat bijna volledig uit neutronen bestaat. Een neutronenster is dus letterlijk een stadsgrote bal van samengeperst materiaal, ontstaan uit het skelet van een ster die ooit miljoenen kilometers groot was.
Neutronensterren zijn niet alleen fascinerende objecten vanwege hun extremen, maar ook van groot wetenschappelijk belang. Ze helpen ons de natuurkunde te testen onder omstandigheden die op aarde onmogelijk zijn. Door botsingen van neutronensterren te bestuderen, zoals in 2017 werd waargenomen via zwaartekrachtsgolven, leren we hoe zware elementen zoals goud en platina ontstaan.
De ontdekking van neutronensterren
Het idee dat neutronensterren zouden kunnen bestaan, werd al in de jaren 30 van de 20e eeuw geopperd. Kort nadat James Chadwick in 1932 het neutron ontdekte, vroegen astrofysici zich af wat er zou gebeuren als de kern van een zware ster volledig uit neutronen zou bestaan. In 1934 stelden Walter Baade en Fritz Zwicky voor dat bij een supernova-explosie een compacte ster zou kunnen overblijven die vrijwel helemaal uit neutronen bestond. Dit was echter puur theorie, er was nog geen enkel bewijs, en zulke objecten leken toen bijna sciencefiction. Astronomen realiseerden zich dat deze regelmatige signalen afkomstig moesten zijn van zeer compacte, snel ronddraaiende objecten die straling uitzonden. Dit paste perfect bij het oude idee van Baade en Zwicky: neutronensterren. De bundels radiostraling worden veroorzaakt doordat een snel roterende neutronenster een enorm magnetisch veld heeft. Dit werkt als een kosmische vuurtoren: telkens wanneer de bundel onze richting op wijst, zien we een puls.
Zulke neutronensterren worden sindsdien pulsars genoemd. De ontdekking van pulsars leverde het directe bewijs dat neutronensterren echt bestaan. Dit was een grote doorbraak in de astrofysica. In 1974 kreeg Antony Hewish (maar helaas niet Bell Burnell) de Nobelprijs voor Natuurkunde voor de ontdekking van pulsars. Sindsdien zijn duizenden neutronensterren gevonden, niet alleen als radiopulsars, maar ook in röntgenstraling en gammastraling. De allereerste ontdekte pulsar was PSR B1919+21, ontdekt door Jocelyn Bell Burnell.
Eigenschappen van neutronensterren
- Formaat: een neutronenster heeft een diameter van slechts 20 tot 25 kilometer, dat is ongeveer de grootte van een stad.
- Massa: toch kan zo’n klein object 1,4 tot 2 keer zoveel massa bevatten als onze zon.
- Dichtheid: een theelepel materiaal van een neutronenster weegt ongeveer een miljard ton, vergelijkbaar met het gewicht van een hele berg, samengeperst in een lepeltje.
- Zwaartekracht: de zwaartekracht aan het oppervlak van een neutronenster is zo sterk dat een mens van 70 kilo er zou wegen als een berg van tientallen miljarden kilo’s.
- Rotatie: veel neutronensterren draaien razendsnel. Sommige maken honderden omwentelingen per seconde.
- Magnetische velden: neutronensterren kunnen magnetische velden hebben die biljoenen keren sterker zijn dan dat van de aarde.
Pulsars: kosmische vuurtorens
Een speciale klasse van neutronensterren zijn de pulsars. Deze draaien zo snel en hebben zulke sterke magnetische velden dat ze bundels straling uitzenden, vergelijkbaar met de lichtbundel van een vuurtoren. Elke keer dat de bundel langs de aarde zwaait, zien we een regelmatige puls van radiogolven, zichtbaar licht of röntgenstraling. Pulsars zijn daardoor uiterst nauwkeurige kosmische “klokken”.
Magnetars: extreem sterk magnetisch veld
Een magnetar is een extreem zeldzame en bijzondere vorm van een neutronenster. Waar een gewone neutronenster al een van de meest extreme objecten in het heelal is, compact, zwaar en razendsnel draaiend, doet een magnetar daar nog een schepje bovenop. Het belangrijkste kenmerk: een ongelooflijk sterk magnetisch veld. Het magnetisch veld van een magnetar is zo sterk dat het tot de krachtigste natuurverschijnselen in het heelal behoort. Ter vergelijking: Het magnetisch veld van de aarde is ongeveer 0,00005 tesla. Een magnetar heeft een veld van ongeveer 10^10 tesla, dat is miljarden keren sterker dan wat we op aarde kunnen opwekken. Als een magnetar op 1000 kilometer afstand van de aarde zou staan, zou zijn magnetisch veld alle creditcards wissen en metalen objecten vervormen. Gelukkig is de dichtstbijzijnde magnetar meer dan 9.000 lichtjaar weg!
