Kameleontische pulsar tart theorie

Een internationaal team onder leiding van Nederlandse sterrenkundigen (SRON, ASTRON, UvA) heeft een verrassende ontdekking gedaan over de manier waarop pulsars straling uitzenden. De uitstoot van radio- en röntgenstraling door deze pulserende neutronensterren blijkt binnen enkele seconden gelijktijdig te kunnen veranderen, op een manier die niet te verklaren is met de gangbare theorieën.

De waarnemingen zijn gedaan met onder andere de ruimtetelescoop XMM-Newton en de LOFAR-telescoop; een deel van de dataverwerking vond plaats binnen het Donald Smits Centrum voor Informatietechnologie van de RUG. De resultaten van het onderzoek verschenen 25 januari in Science.

Pulsars zijn neutronensterren met ongeveer de massa van de zon maar met een diameter van slechts zo’n 20 kilometer. Ze hebben een zeer sterk magneetveld, ongeveer een miljoen keer sterker dan de sterkste velden die we in een laboratorium op aarde kunnen opwekken. Pulsars draaien snel om hun as, in milliseconden tot seconden, en zenden als vuurtorens bundels van straling de ruimte in.

Als de aarde in de lijn van deze bundels ligt, is een regelmatig patroon van pulsen te zien. Vandaar de naam pulsars. Deze pulsars zijn in 1967 ontdekt aan de hand van hun radiostraling. Maar er is nog altijd geen overeenstemming over hoe precies die gepulste radiostraling wordt geproduceerd. We weten wel dat die ontstaat iets boven de magnetische polen, waar extreme omstandigheden heersen.

En soms gebeurt er iets raars. De puls is namelijk niet altijd regelmatig. Eerdere waarnemingen van de radiostraling van pulsar PSR B0943+10 hebben bijvoorbeeld laten zien dat de bundel radiostraling van de pulsar om de paar uur in een paar seconden een factor twee helderder wordt of juist zwakker. Het is alsof de magnetosfeer van de pulsar in twee verschillende toestanden kan verkeren.

Andere pulsars gaan zelfs plotseling helemaal uit en weer aan, of veranderen steeds op dezelfde manier de vorm van de radiopulsen. Sterrenkundigen weten nog niet wat de oorzaak is van deze fenomenen, maar zoeken de verklaring nu in een abrupte en omkeerbare verandering van de hele magnetosfeer.

Het team van sterrenkundigen wist dat de mogelijkheid bestond dat röntgenstraling van deze pulsars gelijktijdig zou veranderen met de omschakeling in radiostraling. Waarneming van de röntgenstraling in de twee 'radiotoestanden' van bijvoorbeeld PSR B0943+10 zou eindelijk inzicht kunnen geven in hoe het pulsarmechanisme werkt. PSR B0943+10 is echter een zwakke röntgenbron.

Daarom zijn er tegelijkertijd waarnemingen gedaan met de XMM-Newton satelliet (ESA), op dit moment de gevoeligste ruimtetelescoop voor röntgenstraling en de nieuwe radiotelescoop LOFAR, die vanuit Borger uitwaaierd over Noord Nederland tot in onder meer Duitsland, Zweden en Engeland. LOFAR is op dit moment het gevoeligste om pulsars waar te nemen. Joeri van Leeuwen en Jason Hessels (ASTRON/UvA) maten met LOFAR continue in welke radiotoestand de pulsar zich bevond. Van Leeuwen: "Alleen daardoor konden we op de seconde nauwkeurig bepalen wanneer de pulsar van karakter veranderde".

Wim Hermsen: "Uit de waarnemingen bleek verrassend genoeg dat op het moment dat de radiostraling van de pulsar meer dan halveert, gelijktijdig twee maal zo veel röntgenstraling wordt uitgezonden, die ook nog alleen dan gepulst is." Lucien Kuiper (SRON) analyseerde de XMM-Newton-gegevens in detail. Hij toonde aan dat het lijkt alsof deze gepulste röntgenstraling van een hete plek op de magnetische pool komt, die verdwijnt zodra de radiostraling weer sterker wordt. Het opvallendste is dat deze gedaantewisseling binnen enkele seconden plaats vindt, waarna de pulsar in de nieuwe verschijning weer enkele uren een stabiele uitstoot van radio- en röntgenstraling vertoont.

Dit gedrag kan niet worden verklaard met de bestaande theorieën over hoe straling in de magnetosfeer van pulsars wordt gevormd. Het is wel een sterke aanwijzing voor een snelle verandering van de hele magnetosfeer."

Dit totaal onverwachte, kameleontische gedrag van radiopulsar PSR B0943+10 geeft 45 jaar na de ontdekking van het bestaan van neutronensterren een nieuwe impuls aan het theoretisch onderzoek aan de natuurkundige processen die zich voordoen onder de extreme condities die heersen in de magnetosfeer van pulsars.

Bron: NOVA