Nieuw licht op neutronensterren en het universum zelf

Credit: Nikhef/Universiteit van Utrecht.

Onderzoekers van onder andere de Universiteit Utrecht en Nikhef publiceren vandaag in het toonaangevende tijdschrift Science een studie die ingaat op maar liefst twee essentiële vragen uit de astrofysica. Ten eerste geven ze een scherpe schatting van de grootte van een typische neutronenster, het restant van een ingestorte opgebrande ster met een paar keer de massa van de zon. Daarnaast hebben ze een nieuwe inschatting gemaakt van de snelheid waarmee het universum uitdijt. Die snelheid is momenteel onderwerp van scherpe wetenschappelijke discussies.

De onderzoekers vonden de twee antwoorden door allerlei waarnemingen van neutronensterren te combineren met radiotelescopen, telescopen en detectoren voor zwaartekrachtgolven.

Prof. Tim Dietrich, hoofdauteur van de publicatie, is een voormalige postdoc van Nikhef in Amsterdam en nu hoogleraar aan de Universiteit van Potsdam. Voor de studie werkt hij nauw samen met onder andere zwaartekrachtdeskundigen van de Universiteit Utrecht, waaronder Nikhef-promovendus Peter Pang.

Multi-messenger-astronomie
In de moderne astrofysica combineren wetenschappers verschillende soorten signalen uit de ruimte om fundamentele vragen over de kosmos te bestuderen, van licht en andere elektromagnetische straling tot kosmische deeltjes en sinds kort ook zwaartekrachtgolven. Deze zogenaamde multi-messenger-astronomie is een snelgroeiende tak van de wetenschap.

Een nieuw tijdperk van de multi-messenger-astronomie begon in 2017, toen wetenschappers de signalen van een botsing tussen twee neutronensterren in het heelal observeerden. Uit die gebeurtenis werden licht en andere straling opgevangen, evenals zwaartekrachtgolven: kleine meetbare rimpelingen van Einsteins ruimtetijd die ontstaan wanneer extreem compacte objecten elkaar opslokken. Zelfs toen al toonden de metingen aan dat dergelijke botsingen de plaats zijn waar zware chemische elementen als goud worden gesmeed.

Sindsdien zijn de zwaartekrachtgolven van een handvol van dergelijke botsingen met neutronensterren gemeten met detectoren in de VS en Europa, soms in combinatie met telescoopwaarnemingen. De detectoren pikken ook regelmatig de samensmelting van zwarte gaten op, een nog gewelddadiger proces waarbij alleen geen licht vrijkomt.

https://www.nikhef.nl/wp-content/uploads/2020/12/BNS_merger.mp4?_=1

Onvoorstelbaar
De onderzoekers concluderen uit de analyses van deze metingen en andere waarnemingen van neutronensterren dat zo’n neutronenster een diameter van slechts 12 kilometer heeft. De massa van de kleine supercompacte neutronenbol is onvoorstelbaar groot: honderdduizenden keer zoveel als de massa van de aarde. Eén theelepel van het spul zou al miljoenen tonnen wegen.

Door de preciezere schatting van de omvang van een neutronenster kon het team sommige theorieën over kernkrachten weerleggen. Tim Dietrich: ‘De waarneming van botsende neutronensterren maakt het mogelijk om het gedrag van materie te begrijpen op een schaal kleiner dan het atoom. Onze studie reikt letterlijk van kosmische tot sub-atomaire schalen.’

Veel discussie
Met de waarnemingen heeft Dietrichs team ook een nieuwe en onafhankelijke schatting van de zogenaamde Hubble-constante gemaakt. “Dit is een maat voor de snelheid waarmee het universum zelf uitzet sinds de oerknal”, zegt Dietrich. “In de afgelopen jaren is er veel discussie geweest over deze constante, omdat er twee meetmethoden zijn die zeer verschillende resultaten geven.”

De waarde die nu is gevonden, ligt het dichtst bij de Hubble-constante die het resultaat is van precisiemetingen met satellieten van de kosmische achtergrondstraling, een overblijfsel van de Oerknal meer dan 14 miljard jaar geleden. Dit betekent ook steun voor de meest voorkomende modellen voor het verloop van de Big Bang, genaamd lambda-CDM. “Een milde voorkeur voor de vorige Kosmische Microgolf Achtergrondmeting”, aldus Peter Pang.

Publicatie

Multi-Messenger Astronomy Constrains Hubble Constant
Tim Dietrich, Michael W. Coughlin, Peter T. H. Pang, Mattia Bulla, Jack Heinzel, Lina Issa, Ingo Tews, Sarah Antier
Science, 18 november 2020, DOI 10.1126/science.abb4317

Bron: Nikhef.

Maanstenen Chinese Chang’e-5 missie naar de aarde teruggebracht

Credit: CNSA via CCTV

Woensdagavond 16 december om 19.59 uur Nederlandse tijd is de capsule van de Chinese Chang’e-5 maanmissie met een parachute geland op een besneeuwde vlakte in het gebied Siziwang Banner in Mongolië. Aan boord van die hitttebestendige capsule bevindt zich twee kilo aan maansteen, dat op 1 en 2 december door de maanlander van de missie verzameld werd in de vulkanische streek Mons Ruemker in de Oceaan der Stormen (Oceanus Procellarum) op de maan. Een bergingsteam van Chang’e-5 kon de doorgang van de capsule door de aardse atmosfeer over de Arabische Zee met infraroodcamera’s goed volgen en al snel per helicopter landen bij de plek waar de capsule neerkwam om de meegebrachte maanstenen veilig te stellen. China is hiermee het derde land na Rusland (eigenlijk de Sovjet-Unie) en de VS dat maanmonsters terug naar de aarde brengt.

Mons Ruemker is waarschijnlijk zo’n 1,2 miljard jaar geleden ontstaan door vulkanische activiteit op de maan. Men denkt dat de meegebrachte maanstenen de jongste zijn die van de maan naar de aarde zijn gebracht. Het is meer dan veertig jaar geleden dat maanstenen terug naar de aarde zijn gebracht.

Ehhh… nu we het toch hebben over door capsules meegebrachte monsters van andere hemellichamen: eerder vertelden we hier dat de capsule van de Japanse Hayabusa 2 missie met monsters van de planetoïde Ryugu veilig was geland in Australië. De Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA heeft inmiddels laten weten dat die capsule in het laboratorium is geopend en dat ze er zwart ‘zand’ in hebben aangetroffen, stofkorrels die zwart lijken te zijn. Hieronder een foto daarvan.

Credit: JAXA.

Het zwarte zand zit in de buitenste schil van de container. In de binnenste schil, die nog niet geopend is, denken ze nog meer gruis van de planetoïde Ryugu aan te treffen. Bron 1 over Chang’e 5: Universe Today en bron 2 over Hayabusa-2: Phys.org.

SpaceX’ Raptor; uniek en ijzersterk werkpaard onder de vloeibare-brandstof raketmotoren (I)

De Raptor is een herbruikbare, methaan-aangedreven raketmotor vervaardigd door én voor SpaceX. De Raptor is ontwikkeld voor de Starship en Super Heavy raketsystemen. De Raptor, officieel onthuld in 2016,  moest volgens Elon Musk de effectiefste raketmotor ooit worden met de gunstigste stuwkracht per kilogram brandstof verhouding. Wat maakt deze motor zo uniek? Hoe verhoudt zich de Raptor tot andere gangbare raketmotoren? Volgend artikel is een ingekorte versie (deel I van II) van Everyday Astronaut’s Tim Dodd over de Raptor. De bijzonderheid van de Raptor zit hem deels in de verbrandingscyclus, de motor bezit een zogeheten ‘full-flow staged combustioncycle’ of ‘gefaseerde verbrandingscyclus met volledige doorstroming’ (de derde ooit ontwikkeld) en gebruikt daarbij ook nog eens cryogeen vloeibaar methaan en vloeibare zuurstof (LOX) als brandstof (geen RP-1 zoals bij SpaceX’ Merlin en Kestrilmotoren.). Geen enkele orbitale raket heeft eerder methaan gebruikt. Hieronder zal ik een overzicht Raptor versus andere gangbare raketmotoren, als o.a. de Merlin, de RS-25 (Spaceshuttle/SLS), de RD-180, Blue Origin’s BE-4 en de F-1-motor. Waarom koos SpaceX voor deze unieke combinatie? Ik hoop met dit artikel duidelijk te maken waarom ze tot deze keuze zijn gekomen en waarom misschien de Raptor in de toekomst wel het beste paard in de stal der raketmotoren kan worden…

Lees verder