Jaarboek no. 89. 2010/2011 - Koninklijke Maatschappij voor ...

Natuurkundige voordrachten I Nieuwe reeks 89
Gammaflitsen: extreem nieuws uit de oertijd
38
merkt. Gammastraling is straling die uit zeer ener-
gierijke lichtdeeltjes (fotonen) bestaat. De naam
gammastraling omvat een vrij groot bereik aan fotonenergieën.
Om binnen dit bereik nog wat onderscheid
te maken, spreken we van zachte en harde
gammastraling als de fotonen respectievelijk weinig
of veel energie hebben.
Jets, zwarte gaten en hypernovae
Sommige van de eerste waargenomen gammaflitsen
waren zo helder dat de hoeveelheid energie die ze
(op grond van hun afstand en helderheid) moesten
hebben uitgestraald, onwaarschijnlijk groot werd. Zó
groot dat een hele zonsmassa in zuivere energie zou
moeten worden omgezet (volgens Einsteins E=mc2 ;
zie kader) om een gammaflits te produceren. Volgens
alle theorieën die we konden verzinnen, was dat toch
net iets te veel van het goede.
De oplossing lag in een misverstand: wanneer we
uitrekenen hoeveel energie een gammaflits moet
hebben bevat, doen we alsof de flits in alle richtingen
even sterk straalt. Wij wonen immers niet op
een bijzondere plaats in het heelal, dus waarom zou
de flits in onze richting anders zijn? Dat blijkt echter
toch niet juist te zijn, want de energie van een gammaflits
blijkt gebundeld, net zoals de lichtbundel
van een vuurtoren, en bestrijkt maar iets van één
procent van de hemel (dat kunnen we afleiden uit
gedetailleerd onderzoek van hoe de nagloeier in
helderheid afneemt). Door hier geen rekening mee
te houden, hebben we de energie van de flits in
eerste instantie dus met een factor honderd overschat.
In werkelijkheid bedraagt de energie van de
flits ‘slechts’ één procent van de massa-energie van
de zon en dat is maar net iets meer dan de energie
die de zon in de loop van haar leven met kernfusie
produceert en uitstraalt.
Natuurlijk weten gammaflitsen niet waar wij
wonen en richten ze hun bundels niet op ons. Voor
elke bundel die onze kant op wijst, zijn er dus honderd
die dat niet doen. Met andere woorden: er zijn
honderd keer zo veel gammaflitsen als wij zien.
Desondanks zijn gammaflitsen erg zeldzaam: in een
melkwegstelsel als het onze treedt er maar één per
honderdduizend jaar op. Vergelijk dit eens met het
aantal supernovae – ook al heel bijzonder – waarvan
er in elk melkwegstelsel gemiddeld een paar
per eeuw optreden.
Nu zitten we met een interessant probleem:
zowel gewone supernovae als gammaflitsen zijn
afkomstig van zware sterren die aan het eind van
hun leven ontploffen, maar gammaflitsen zijn duizend
keer zo zeldzaam. Wat is er bijzonder aan een
ster die een gammaflits én een supernova oplevert,
in plaats van alleen een supernova? Welnu, ten eerste
zijn de supernovae die we bij gammaflitsen zien
heel speciaal: ze zijn extra energierijk en behoren
tot het zeldzame type Ic. Dat laatste betekent dat
de ster al vóór de ontploffing al zijn buitenlagen
van waterstof, en zelfs die van helium grotendeels,
heeft weggeblazen in de vorm van een hevige sterrenwind.
Alleen de kern van de ster, waar materiaal
al minstens tot koolstof is gefuseerd, is over. Dat
gebeurt alleen bij de zwaarste sterren.
Er is nog iets bijzonders aan de hand. Als de ster
ontploft, komt er een enorme energiestoot vanuit
het binnenste, daar waar de kern instort. Je zou
denken dat die energie gelijkelijk over de hele stermantel
wordt verdeeld. Deze mantel bevat minstens
evenveel massa als de zon, zodat hij normaal gesproken
met een snelheid van 5000 km/s uiteenvliegt;
bij een gewone supernova gebeurt dat ook precies
zo. Bij het ontstaan van een gammaflits vliegt echter
slechts een klein beetje massa, ongeveer een aardmassa,
met bijna de lichtsnelheid weg – de energie
wordt dus heel oneerlijk verdeeld. Een manier om
dat voor elkaar te krijgen, is te veronderstellen dat
de kern van de ster heel snel ronddraait en zwaar
genoeg is om een zwart gat te produceren. Na het
instorten van de kern zit er dan midden in de ster
een zwart gat met een schijf van gas eromheen. Zo’n
zwart gat met omringende gasschijf lijkt veel op
een kleine versie van een quasar, waarvan we weten
dat een flink deel van het gas met heel grote snelheid
in bundels of jets langs de draaiingsas van de
schijf kan worden weggeblazen. Die bundels kunnen
zich door de ster heen een weg boren en dan
de gammaflits veroorzaken. Dit scenario klopt heel
aardig met het feit dat we al hadden vastgesteld
dat gammaflitsen inderdaad jets zijn in plaats van