24 april 2018

Kilonovae als GW170817 kunnen als ‘Standaard Sirene’ de expansie van het heelal meten

De twee neutronensterren die in NGC 4993 in het sterrenbeeld Hydra 130 miljoen jaar geleden tegen elkaar knalden en samensmolten en die daarmee gammaflits en kilonova GW170817 veroorzaakten kunnen zeer goed gebruikt worden om de expansie van het heelal te meten. Sinds de waarnemingen van Vesto Slipher en Edwin Hubble in de jaren twintig van de vorige eeuw weten we dat het heelal continu uitdijt en sinds de jaren negentig weten we door twee onafhankelijke teams dat die uitdijing ook nog eens steeds sneller gaat. Die teams deden dat door waarnemingen aan ver verwijderde type Ia supernovae, die dienen als ‘Standaard Kaarsen’.

Voorstelling van een witte dwerg met begeleider, die als supernova kan exploderen.

Type Ia supernovae ontstaan door witte dwergen, die door toevoer van materie van een begeleidende ster zwaarder worden dan de limiet van Chandrasekhar (ongeveer 1,4 keer de massa van de zon) en die dan een thermonucleaire exoplosie ondergaan. Omdat ze altijd bij dezelfde massa exploderen is hun absolute lichtkracht altijd hetzelfde een daarmee kunnen ze prachtig gebruikt worden als standaard kaars: weet je hun schijnbare helderheid aan de hemel, dan kan je hun afstand bepalen, dankzij de kennis van hun absolute lichtkracht. Vervolgens levert de roodverschuiving van de supernovae een indicatie op van de snelheid waarmee het moederstelsel waarin ze zich bevinden zich van de aarde af beweegt.

Een type Ia supernovae (linksonder).

En dat zijn de twee ingrediënten die je nodig hebt om de expansie van het heelal te meten: de afstand en de schijnbare snelheid waarmee het stelsel zich van ons af beweegt. Op basis van vele waarnemingen aan deze supernovae, onder andere met de Hubble ruimtetelescoop, kwamen de sterrenkundigen op een expansie van het heelal van 73 km/(s*Mpc), de waarde voor de zogeheten Hubble constante. Met die constante geven de sterrenkundigen de snelheid van de expansie aan, voor iedere megaparsec (ruim 3 miljoen lichtjaar) dat we verder kijken neemt de snelheid waarmee stelsels zich van ons verwijderen met 73 km/s toe. Probleem waar de sterrenkundigen de laatste jaren mee worstelen is echter dat er nog een methode is om de expansie te meten en dat is door te kijken naar de CMB, de ‘cosmic microwave background’, de straling die het gehele heelal vult en die een overblijfsel is van de hete oerknal (zie afbeelding hieronder).

Met de Europese Planck satelliet is die CMB nauwkeurig gemeten en dat leverde een andere Hubble constante op: 68 km/(s*Mpc). Lijkt niet veel af te wijken van de waarde gemeten op basis van de type Ia supernovae, maar sterrenkundigen zitten er toch mee in hun maag en het betekent dat één van de twee het niet helemaal goed heeft. En toen verscheen daar kilonova GW 170817 in beeld! Want die blijkt zeer goed gebruikt te kunnen worden als ‘Standaard Sirene’, zoals het wordt genoemd, net als type Ia supernovae als goede afstandsindicator.

De waargenomen waveform van GW 170817

GW 170817 is namelijk waargenomen op meerdere manieren, als zwaartekrachtsgolf door LIGO en VIRGO (zie afbeelding hierboven) en in alle onderdelen van het elektromagnetische spectrum door een veelheid aan instrumenten, en dat is een prachtig voorbeeld van ‘multimessenger astronomie’. Dankzij die veelheid aan waarnemingingen kan ook van de twee botsende neutronensterren (de ene 1,6 keer de massa van de zon, de andere 1,17 keer zo zwaar) worden vastgesteld wat hun afstand tot de aarde is en met welke snelheid het omringende moederstelsel (NGC 4993) zich van de aarde af beweegt. De afstand kan bepaald worden door zeer nauwkeurige analyse van de ‘waveform’ van de zwaartekrachtsgolf, waarmee de absolute totale lichtkracht kan worden bepaald. De snelheid waarmee NGC 4993 zocht van ons verwijderd kan vervolgens door de roodverschuiving worden bepaald, verkregen door de waarnemingen in het EM spectrum.

Op basis hiervan heeft men de Hubble constante opnieuw kunnen meten (zie de blauwe lijn in de afbeelding hierboven): 70 (foutmarge +12, -8) kilometer per seconde per megaparsec – zo’n beetje tussen de waardes van Hubble en Planck in dus – hier het vakartikel hierover, welke gisteren in Nature verscheen. Het heeft nog een grote foutmarge, maar door meer waarnemingen aan kilonovae komende jaren willen ze die foutmarge flink terugbrengen. Bron: Preposterous Universe.

Reacties

  1. 130 miljoen lichtjaar afstand Arie, https://nl.wikipedia.org/wiki/Lichtjaar. Maar de vraag blijft, waar komt dat mooie grafiekje van de Hubble constante vandaan? Link…

Laat wat van je horen

*