Hemellichamen met een hoge temperatuur of massadichtheid vormen het terrein van de hoge-energie astrofysica. Dit zijn bijvoorbeeld compacte objecten zoals neutronensterren of zwarte gaten, of gaswolken van miljoenen graden binnen clusters van sterrenstelsels. Ze zenden voornamelijk straling uit met hoge energie, zoals röntgen- en gammastraling, of zwaartekrachtsgolven. Die signalen vangen we op met ruimtetelescopen en gebruiken we om te leren wat er gebeurt onder de extreme omstandigheden binnen deze hemellichamen en welke invloed ze hebben op hun omgeving.
Het omzetten van die signalen naar nuttige informatie is nog niet zo eenvoudig. We maken bijvoorbeeld modellen over hoe röntgenstraling in hete gaswolken ontstaat en welke zwaartekrachtsgolven passen bij welke zwarte gaten. Spectroscopie en timing zijn hierbij belangrijke hulpmiddelen, waarbij we niet alleen de hoeveelheid straling meten, maar ook hoe die varieert door de tijd heen en welke energie de individuele lichtdeeltjes hebben. Zo halen we de beste wetenschappelijke resultaten uit onze instrumenten en verbeteren we het ontwerp van nieuwe instrumenten.
Het kosmisch web
Ons melkwegstelsel maakt deel uit van een enorm web van andere sterrenstelsels, donkere materie en heet gas, dat het hele zichtbare universum omvat. Op de knooppunten van dat kosmisch web vinden we groepen van honderden sterrenstelsels die we clusters noemen. Daarbinnen zijn sterrenstelsels ingebed in een heet gas van miljoenen graden dat röntgenstraling uitzendt. Die clusters zijn verbonden door filamenten van ijl gas, waartussen zich kleinere groepen van sterrenstelsels bevinden, zoals de Lokale Groep waar onze Melkweg onderdeel van is.
Een van de belangrijke vragen binnen de hoge-energie astrofysica is hoe deze structuren sinds het ontstaan van het universum zijn gevormd. Clusters lijken voor een groot deel te bestaan uit donkere materie—een vorm van materie die geen interactie vertoont met de ‘normale’ materie waar wijzelf en alles wat we kennen uit bestaan. Deze donkere materie lijkt sterrenstelsels aan te trekken en de structuur te bepalen van het hete gas binnen een cluster.
Daarnaast hebben ook superzware zwarte gaten in het centrum van een cluster invloed op de hete gaswolken. Het zwarte gat trekt een groot deel van het gas aan en stoot het vervolgens met grote snelheid weer uit, waardoor het gas opwarmt en wervelingen veroorzaakt binnen de gaswolken. Deze terugkoppeling is interessant, omdat we zien
Zwarte gaten en neutronensterren
Zwarte gaten en neutronensterren beïnvloeden hun omgeving tot op grote afstanden met hun zwaartekracht. Het gas en stof dat ze aantrekken vormt een hete ronddraaiende schijf om deze ruimteobjecten heen. De enorme snelheden binnen de schijf—nabij het centrum tot aan de lichtsnelheid—verhitten het gas tot miljoenen graden Celsius. Een deel van het gas wordt weggeblazen in een wind die vergelijkbaar is met de zonnewind.
Met de huidige röntgentelescopen is het vrijwel onmogelijk om een direct beeld te krijgen van wat er zich rond deze objecten afspeelt. Door te kijken hoe de röntgenspectra van de schijf in tijd variëren, kunnen we wel indirect afleiden hoe de complexe omgeving van een zwart gat eruitziet en hoe de gasstromen en winden ontstaan die tot ver buiten het systeem invloed hebben.
Als neutronensterren en zwarte gaten geen materie aantrekken, kunnen we ook andere eigenschappen bestuderen. Veel neutronensterren draaien snel om hun as en hebben daarom een sterk magnetisch veld. Geladen deeltjes worden in het magneetveld versneld en zenden dan een bundel röntgen- en gammastraling uit. De snelle rotatie maakt van de neutronenster een vuurtoren die periodiek een puls uitstuurt. Door heel nauwkeurig naar de aankomsttijden van de pulsen te kijken, kunnen we afleiden hoe de magnetische atmosfeer eruitziet.
Soms komen neutronensterren en zwarte gaten dichtbij elkaar en smelten ze uiteindelijk samen. Dit zou dit ook kunnen gebeuren met superzware zwarte gaten. In de laatste fase voor het samensmelten draaien de twee zware objecten dan zo snel om elkaar heen, dat ze de ruimte zelf laten trillen. Met detectoren onder de grond kunnen we nu al deze zogenoemde zwaartekrachtsgolven meten van om elkaar draaiende neutronensterren en lichte zwarte gaten. In de toekomst kunnen we met de LISA-ruimtemissie ook zwaartekrachtsgolven meten vanaf dubbele superzware zwarte gaten.
Stof in ons melkwegstelsel
Als neutronensterren en zwarte gaten materiaal afsnoepen van een begeleidende ster, zenden ze heldere röntgensignalen uit. Die schijnen dwars door de gas- en stofwolken tussen de sterren in ons melkwegstelsel. De stofdeeltjes absorberen de röntgenstraling voor een deel en laten unieke patronen achter in het spectrum van het oorspronkelijke signaal. Dit geeft naast infraroodsignalen een andere mogelijkheid om te meten welke moleculen er in de ruimte voorkomen.
Data analyse
Een belangrijk hulpmiddel bij het analyseren van röntgenspectra is de SPEX software die we op SRON ontwikkelen. Dit pakket bevat modellen die beschrijven welk spectrum een gas onder bepaalde omstandigheden uitzendt. Door waargenomen spectra te vergelijken met de modellen bepalen we de eigenschappen van een ruimtewolk. We gebruiken de software ook om te berekenen wat een nieuw instrument kan opleveren.
