China en de Krabnevel
Op 4 juli 1054 verscheen er een nieuwe ster aan de hemel die zo helder was dat ze overdag duidelijk zichtbaar bleef. De sterrenkundigen in dienst van de keizer van China rapporteerden dat de ster ten zuidoosten stond vanζ Tauri,
Figuur 6.12: De rest van de supernova van 1054. Het blauwe licht in de optische foto links is afkomstig van hoog-energetische electronen in een zwak magneet- veld (synchrotronstraling), het rode licht van recombinerend waterstof (protonen die electronen vangen). Van twee sterren in het centrum van de nevel is de ster rechtsonder de neutronenster. In het röntgenplaatje (rechts) zien we vanuit de neutronenster in het midden lopende spiralen, en loodrecht daarop twee straal- stromen. De doorsnee van de binnenste ring is ongeveer een lichtjaar.
Ook in Japan, Armenië, Turkije, België, Ierland en Italië werd de nieuwe ster gezien.
De Krabnevel is de eerste nevel in de lijst van de 18e-eeuwse Franse ko- meetzoeker Messier: M1. De Leidse sterrenkundige Jan Oort en China-deskundige Julius Duijvendak namen in 1942 de Chinese kronieken nog eens nauwkeurig door en bevestigden het in 1921 door de Zweed Knut Lundmark geuite ver- moeden dat de Krabnevel het overblijfsel is van een in 1054 als supernova ontplofte ster (ook al staat de nevel ten noordwesten vanζ Tauri. . . blijkbaar
heeft de Chinese kroniekschrijver zich verschreven). Op recente foto’s is de Krabnevel groter dan op oude. Een constante uitdijïngssnelheid geeft dan een leeftijd van zo’n duizend jaar. Dat is een extra aanwijzing dat de Krabnevel met de ster van 1054 samenhangt.
De Krabnevel is een heldere bron van radiostraling, Taurus A, de helder- ste bron in het sterrenbeeld de Stier. De Rus Josip Shklovskii begreep dat de radiostraling afkomstig is van hoog-energetische elektronen die in een mag- neetveld in de Krabnevel spiraliseren. Zulke straling wordt synchrotronstra- ling genoemd. Ook het blauwige licht uit het midden van de Krabnevel is syn- chrotronstraling, evenals de röntgenstraling van de nevel.
Met dit model kunnen we uitrekenen hoeveel energie de Krabnevel bevat, en met een energieverlies van4 · 1031 Watt (zoveel als honderdduizend zon- nen!), volgt dat ze in enkele maanden door haar energie heen zou zijn. Dat betekent dat er voortdurend energie moet worden toegevoegd om de synchro- tronstraling in stand te houden. Een blauw sterretje in het midden van de nevel werd als mogelijke energiebron aangewezen, maar hoe? Dat was onbekend.
Opgave 6-4: Krabnevel-raadsels
In de bovenstaande paragraaf staat: “Met dit model kunnen we uitrekenen hoeveel energie de Krabnevel bevat, en met een energieverlies van4 · 1031 Watt (zoveel als honderdduizend zonnen!), volgt dat ze in enkele maanden door haar energie heen zou zijn.”
a Hoe groot is de energie-inhoud van de Krabnevel volgens deze gege- vens?
In 1967 ontdekten de Britten Jocelyn Bell en Anthony Hewish de eerste pulsar: een bron aan de hemel die elke 1,3 seconde een puls radiostraling uitzendt. Kort daarna werd ook in de Krabnevel een pulsar gevonden die elke 0,033 s een puls uitzendt. De zeer stabiele periode wijst op een rotatie: de Krabpulsar draait elke 0,033 s om de as.
b Als we eisen dat het steroppervlak langzamer beweegt dan de lichtsnel- heid, hoe groot kan de ster dan maximaal zijn?
De enige zo kleine ster is een neutronenster. De Krabpulsar is een neutronen- ster!
Net voor de ontdekking van de eerste pulsars had de Italiaan Franco Pacini beargumenteerd dat een ijzerkern van een zware ster wellicht een magneet- veld heeft, en dat dit magneetveld met de instorting mee-krimpt en versterkt wordt. Een neutronenster zou dus een enorm sterk magneetveld hebben.
Een snel roterende magneet verliest echter energie in de vorm van elek- tromagnetische straling, en gaat daardoor langzamer roteren. Pacini’s model voorspelde dus dat de Krabpulsar langzamer zou gaan roteren – en na enige tijd werd dit ook daadwerkelijk gemeten: elk jaar wordt de rotatie-periode van de Krabpulsar 13,3 microseconde langer.
Het product van de periode en de periode-verandering geeft de sterkte van het magneetveld. Het magneetveld van de Krabpulsar is 3,7 ·108Tesla, meer dan een miljoen maal het sterkste op aarde door natuurkundigen gemaakte magneetveld.
Een meer precieze berekening laat zien dat de geboorte van de Krabpul- sar in 1054 betekent dat de pulsar toen elke 0,016 seconde om de eigen as draaide.
De Krabpulsar vertoont niet alleen pulsen in het röntgen, maar ook in het zichtbare licht en in andere gebieden van het elektromagnetisch spectrum. De electromagnetische straling die de Krabpulsar voornamelijk uitzendt, heeft een golflengte van tienduizend kilometer – veel langer nog dan radiostraling – en wordt door het gas in de Krabnevel geabsorbeerd.
De Krabnevel en Krabpulsar vormen het directe bewijs dat de vorming van een neutronenster gepaard gaat met een supernova; ze laten zien dat het mo- del van een neutronenster met sterk magneetveld een juiste schatting geeft van de leeftijd en een goede verklaring voor de energie-voorziening aan de nevel om de neutronenster heen.
Figuur 6.13: Pulsen van de Krab (links) en Vela (rechts) pulsars in radio, zichtbaar licht, röntgen- en gamma- straling. Terwijl de pulsen bij verschillende energieën voor de Krab-pulsar gelijk- tijdig zijn, is dat voor de Vela-pulsar niet het geval. (Door de lage helderheid zijn de optische en röntgendata van Vela vol ruis.)
De beste analyse van röntgen- en gammastraling is die van Lucien Kuiper en Wim Hermsen (SRON Utrecht).