Masers tussen de sterren 1 april 2009 Natuurwetenschap & Techniek

Voor kosmische lasers moet je naar een Star Wars-film, maar de microgolfversie van de laser blijkt gewoon in de natuur voor te komen. Precisiemetingen aan zulke astrofysische masers met grote netwerken van radioschotels leveren informatie op die je op geen enkele andere manier kunt verkrijgen.

Even een kleine greep uit de grabbelton van sterrenkundige resultaten. In de kern van het sterrenstelsel M106 zit een superzwaar zwart gat. Stervende sterren hebben vaak verrassend sterke magneetvelden. In het roerige centrum van ons eigen Melkwegstelsel worden op dit moment nieuwe sterren geboren. Op de kleine Saturnusmaan Atlas komt waterdamp voor. En de Melkweg roteert sneller en is zwaarder dan altijd is aangenomen. Wat hebben al deze astronomische ontdekkingen met elkaar gemeen? Ze zijn gebaseerd op waarnemingen van kosmische masers. Welkom in de wereld van aangeslagen moleculen en very long baseline interferometry (VLBI).

Een maser is een heldere bron van zuiver monochromatische straling op relatief lange, onzichtbare golflengten – zeg maar de microgolfversie van een laser. ‘Laser’ staat voor ‘light amplification by stimulated emission of radiation’; de m van ‘maser’ komt van ‘microwave’. De eerste laboratoriummasers werden ruim een halve eeuw geleden gebouwd door de Amerikaanse natuurkundige en Nobelprijswinnaar Charles Townes. Townes beschreef een paar jaar later ook als eerste het principe van de laser, en won in 1964 een gedeelde Nobelprijs natuurkunde.

Dat masers ook gewoon in de natuur konden voorkomen, daar hield vijfenveertig jaar geleden niemand rekening mee. Dus toen een groep Amerikaanse radioastronomen onder leiding van Harold Weaver in 1965 raadselachtige emissielijnen in het heelal ontdekte op een golflengte van 18 centimeter, opperden sommige sterrenkundigen dat die misschien geproduceerd werden door een nog onbekend element, dat ‘mysterium’ werd genoemd. Pas later bleek het te gaan om maserstraling van hydroxylmoleculen (OH). Niet lang daarna werd ook kosmische maserstraling ontdekt van waterdamp (H2O), methanol (CH3OH) en siliciumoxide (SiO).

Opzienbarende ontdekkingen, maar volgens Huib Jan van Langevelde, directeur van het Joint Institute for VLBI in Europe (JIVE) in Dwingeloo, was het grote belang van kosmische masers niet meteen duidelijk. Pas na de opkomst van very long baseline interferometry (waarbij verschillende radiotelescopen onderlinge gekoppeld worden om een extreem hoge beeldscherpte te behalen) kwamen de toepassingen op het gebied van bijvoorbeeld precisie-astrometrie aan het licht. Nog steeds vormt maserastronomie een enigszins onbekend en onderbelicht deelgebied van de sterrenkunde, aldus Van Langevelde.

Stoomcursusje
Maar wacht even, voordat de resultaten aan bod komen is het tijd voor een klein stoomcursusje ‘hoe werkt een maser’. Het draait allemaal om die ‘stimulated emission of radiation’. Een elektron in een aangeslagen atoom valt van een hoger energieniveau terug naar een lager niveau. Daarbij wordt een foton uitgezonden met een energie gelijk aan het verschil tussen die twee niveaus. Het foton treedt vervolgens in wisselwerking met een ander aangeslagen atoom. Gevolg: ook dát atoom valt terug naar het lagere energieniveau, waarbij opnieuw een foton wordt uitgezonden, met dezelfde golflengte, polarisatie en – heel belangrijk – dezelfde voortplantingsrichting.

Uiteindelijk ontstaat op die manier een gerichte ‘waterval’ van zogeheten coherente fotonen. In het geval van masers gaat het om fotonen met golflengten van micrometers, millimeters of centimeters, en zijn er geen afzonderlijke atomen in het spel, maar moleculen die van het ene energieniveau terugvallen naar het andere. Zo’n moleculaire maser – gewoonlijk in een relatief koele interstellaire gaswolk ¬– zien we natuurlijk alleen wanneer hij toevallig precies in onze richting straalt. Bovendien moeten er in de wolk geen al te grote snelheidsverschillen voorkomen, anders treedt er dopplerverschuiving op en gaat de maserwerking verloren.

Omdat masers doorgaans erg helder zijn, kun je ze op zeer grote afstanden in het heelal waarnemen. En omdat het om kleine puntbronnen gaat, zijn er nauwkeurige positie- en snelheidsmetingen aan te verrichten, vooral met behulp van VLBI. De allerberoemdste maserwaarnemingen zijn waarschijnlijk die aan het sterrenstelsel M106, op een kleine 25 miljoen lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Jachthonden. De watermasers die in het centrum van dat stelsel zijn gevonden, blijken in mooie keplerbanen rond de kern te draaien. Uit de metingen kon in 1995 nauwkeurig de massa van het centrale object worden afgeleid: binnen een gebied met een middellijn van één zesde lichtjaar bevindt zich een object van bijna veertig miljoen zonsmassa’s. ‘Indertijd was dit verreweg het beste bewijs voor het bestaan van superzware zwarte gaten,’ aldus Van Langevelde.

Masers als tracers – ze zijn bij uitstek geschikt voor dit soort precisiemetingen. Veel moeilijker is het om uit de waarnemingen informatie af te leiden over de fysische eigenschappen van de interstellaire wolk waarin de masers ontstaan. Toch lukt ook dat af en toe. Zo heeft de Nederlandse radioastronoom Wouter Vlemmings, momenteel werkzaam aan de Universiteit van Bonn, masers ontdekt en bestudeerd in de materie die is uitgeblazen door stervende sterren. Zulke planetaire-nevels-in-wording hebben vaak een opmerkelijke bipolaire structuur. Volgens veel sterrenkundigen wordt die veroorzaakt doordat de stervende ster deel uitmaakt van een dubbelster, of vergezeld wordt door een planetenstelsel.

Vlemmings leidde uit de polarisatie van de maserstraling echter af dat er rondom die bipolaire ‘jets’ krachtige magnetische velden voorkomen. Waardoor die worden opgewekt is allerminst duidelijk, maar de magneetvelden zijn sterk genoeg om van grote invloed te zijn op de beweging van het weggeblazen gas. ‘Ongetwijfeld wordt de asymmetrie van sommige planetaire nevels veroorzaakt door de aanwezigheid van een dubbelstercomponent,’ zegt Vlemmings, ‘maar voor de vorming van een sterk bipolaire structuur heb je echt een krachtig magnetisch veld nodig.’ Overigens vertellen de waarnemingen je ook iets over de temperatuur van het gas waarin de masers ontstaan, legt Vlemming uit. SiO-masers kunnen bijvoorbeeld alleen dicht bij een ster ontstaan, waar de temperatuur relatief hoog is: op grotere afstand verkere de moleculen niet langer in de gasfase, maar maken ze deel uit van stofdeeltjes.

Verrassingen
Ook in ons eigen zonnestelsel, op enorm veel kleinere afstanden, zijn masers ontdekt, bijvoorbeeld bij kometen. Tijdens de inslag van fragmenten van komeet Shoemaker-Levy 9 in de dampkring van de reuzenplaneet Jupiter, in juli 1994, is maserstraling van watermoleculen waargenomen. En in 1997, tijdens de verschijning van de spectaculaire komeet Hale-Bopp, werd OH-maserstraling gedetecteerd. Daarbij ging het zo goed als zeker om straling van een ver verwijderde achtergrondbron die versterkt werd door de maseractiviteit van OH-moleculen in de ijle, gasvormige coma van de komeet. Die hydroxyl-moleculen ontstaan door dissociatie van watermoleculen onder invloed van ultraviolet zonlicht.

Veel verrassender is de ontdekking, kort geleden gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics, van H2O-masers in het Saturnusstelsel. Een internationaal team van astronomen, onder leiding van Sergei Pogrebenko van het JIVE-instituut in Dwingeloo, heeft die watermasers niet alleen waargenomen op de Saturnusmaan Enceladus, waar door de Amerikaanse planeetverkenner Cassini actieve waterdampgeisers zijn ontdekt, maar ook op Titan, Hyperion en Atlas. Het kleine maantje Atlas blijkt zelfs het krachtigste masersignaal te produceren. Volgens de astronomen kunnen dit soort gevoelige waarnemingen in de toekomst ook een belangrijke rol spelen in de speurtocht naar water op planeten bij andere sterren.

Wervelende materieschijven rond superzware zwarte gaten, planetaire-nevels-in-wording, kometen en planeetmanen – natuurlijke masers kom je op de meest uiteenlopende plaatsen tegen. Maar het leeuwendeel van de astrofysische masers ontstaat in stervormingsgebieden: uitgestrekte wolken van koel, moleculair gas waarin nieuwe sterren worden geboren. Die ‘stervormingsmasers’ leidden kort geleden tot enkele opzienbarende nieuwe inzichten in de structuur en de eigenschappen van ons Melkwegstelsel – resultaten die begin dit jaar veel aandacht trokken op de winterbijeenkomst van de American Astronomical Society in Long Beach, Californië.

Om te beginnen zijn met de Very Large Array radiotelescoop in New Mexico twee masers ontdekt op slechts zeven en tien lichtjaar afstand van het Melkwegcentrum. De watermasers worden geproduceerd in de directe omgeving van protosterren die nog gehuld zijn in de gasvormige ‘cocon’ waaruit ze op dit moment worden geboren. De ontdekking laat er geen twijfel over bestaan dat er zelfs vlak bij het superzware zwarte gat in de kern van het Melkwegstelsel nieuwe sterren kunnen ontstaan. Vanwege de sterke getijdenkrachten van het zwarte gat werd dat aanvankelijk heel onwaarschijnlijk geacht. Volgens Elizabeth Humphreys van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics heeft het moleculaire gas in de Melkwegkern een aanzienlijk hogere dichtheid dan altijd is aangenomen.

Een tweede maserresultaat werd verkregen met de Amerikaanse Very Long Baseline Array. Humphrey’s collega Mark Reid legde in Long Beach uit hoe precisiemetingen aan masers in de spiraalarmen van de Melkweg tot een nieuwe massabepaling van het stelsel hebben geleid. Door dopplerwaarnemingen te combineren met daadwerkelijk waargenomen minieme verplaatsingen aan de hemel, kon de ruimtelijke snelheid van de masers worden achterhaald. Daaruit blijkt dat het Melkwegstelsel twintig procent sneller om zijn as draait dan altijd is aangenomen. ‘Dat betekent dat ons stelsel bijna anderhalf keer zo zwaar moet zijn als eerder werd gedacht,’ aldus Reid. ‘We zijn niet langer het kleine zusje van het Andromedastelsel.’

Volgens Huib Jan van Langevelde bieden maserwaarnemingen van moleculaire wolken informatie over de geboorte van sterren die je momenteel op geen enkele andere manier kunt verkrijgen. Maar het blijft ingewikkeld. ‘We moeten het nog echt in de vingers krijgen; de interpretatie van de waarnemingen blijft veel giswerk.’. In de nabije toekomst zal de Atacama Large Millimeter Array in Chili zeer gedetailleerde beelden van stervormingsgebieden op millimetergolflengten opleveren. ‘Ook de toekomstige Square Kilometer Array zal een revolutie teweegbrengen in de hoge-resolutie moleculaire astrofysica,’ zegt Van Langevelde. ‘Maar waarnemingen van kosmische masers blijven altijd interessant.’

Kader - Botsing op komst?
Uit dopplerwaarnemingen van het nabijgelegen Andromedastelsel (op ca. 2,5 miljoen lichtjaar afstand) blijkt dat dit stelsel met een snelheid van ruim honderd kilometer per seconde op het Melkwegstelsel af beweegt. Over ca. 2,5 miljard jaar zullen de twee sterrenstelsels mogelijk met elkaar in botsing komen. Of er echt sprake zal zijn van een botsing, of ‘slechts’ van een nauwe passage, is echter niet bekend – daarvoor moet de zijwaartse verplaatsing van het Andromedastelsel aan de hemel worden gemeten. Mark Reid van het Harvard-Smithsonian Center of Astrophysics hoopt dan ook dat er ooit masers gevonden zullen worden in Andromeda. Waarnemingen van zulke masers met behulp van very long baseline interferometry maken het mogelijk de tangentiële snelheid van het stelsel nauwkeurig te bepalen.

© Govert Schilling

Links: