Een zonsondergang is niet alleen prachtig om naar te kijken, maar zegt ook iets over de wisselende temperaturen en dichtheden van de luchtlagen in de atmosfeer van de aarde. Deze lagen breken het licht dat naar ons toe komt op zo’n manier dat de zon, net voordat ze achter de horizon verdwijnt, gehuld lijkt in een gestreept patroon en horizontaal uitgerekt lijkt. Een ander voorbeeld is het fonkelen van sterren aan de nachtelijke hemel, veroorzaakt door schommelingen in dichtheid en temperatuur in de atmosfeer van de aarde.
Pulsars kunnen een zeer vergelijkbaar effect teweegbrengen. Pulsars zijn ultracompacte sterrenresten, nauwelijks groter dan een grote stad op aarde, die voornamelijk radiogolven uitzenden. Vanaf de aarde gezien lijkt hun licht daarom uit één enkel punt aan de hemel te komen. In sommige gevallen lijkt hun licht echter ook uitgesmeerd en uitgerekt of flikkerend. Dit komt niet door de aardatmosfeer, maar door gas tussen de sterren dat klonten en structuren vormt die het licht van de pulsar erachter verstrooien en afbuigen. Dit flikkeren in het radiolicht, in technische termen bekend als scintillatie, biedt inzichten in de interstellaire ruimte die anders onzichtbaar zouden zijn. Een internationaal team onder leiding van Tim Sprenger van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie heeft de flikkerende radiostraling van de pulsar met de aanduiding PSR B1508+55 nauwkeurig gemeten met behulp van een innovatieve observatietechniek. Dit is pas de tweede pulsar waarvan de door scintillatie veroorzaakte vervorming direct in beeld kon worden gebracht.
Flikkerende sterrenresten
Scintillatie komt alleen voor bij puntbronnen; daarom fonkelen verre sterren wel, maar planeten niet. In het radiospectrum is flikkering waarneembaar bij pulsars, de overblijfselen van zware sterren. Ze behoren tot de meest compacte objecten in het heelal: de massa van een hele ster is samengeperst tot een bol met de diameter van een grote stad. De radiosignalen die door pulsars worden uitgezonden, fluctueren in helderheid als gevolg van scintillatie, en hun positie aan de hemel lijkt vervaagd. De pulsar die in het huidige onderzoek is waargenomen, is pas de tweede waarbij de door scintillatie veroorzaakte vervorming direct in beeld kon worden gebracht.
Onverwacht recht
Het onderzoeksteam onder leiding van Tim Sprenger observeerde de pulsar met de aanduiding PSR B1508+55, gelegen op ongeveer 7.000 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Draco. Op de langbelichte opname lijkt de pulsar vervormd tot een lijn. “Meestal stelt men zich voor dat de pulsar door willekeurige dichtheidsfluctuaties vervormd wordt tot een wazige schijf. In plaats daarvan lijkt het interstellaire medium hier geordende structuren te vormen met een voorkeursoriëntatie,” legt hoofdauteur Tim Sprenger uit. Dit kunnen bijvoorbeeld parallelle filamenten of dunne, gevouwen lagen zijn. Hoe die structuren er in dit geval precies uitzien, is nog niet duidelijk. Dit komt deels doordat de waargenomen verstrooiing die ze veroorzaken op astronomische schaal erg klein is en moeilijk waar te nemen. Van bijzonder belang zijn kleine onregelmatigheden in de verder rechte verstrooide lijn. “Het is fascinerend om het contrast te zien tussen het primaire lineaire beeld en de complexe afwijkingen daarvan. Het doet ons afvragen: wat zijn de microscopische structuren die deze hebben veroorzaakt, structuren die ons huidige beeld van het interstellaire medium ontgaan?”, voegt coauteur Xun Shi van de Yunnan-universiteit in China toe. Met behulp van modelberekeningen kan in ieder geval worden vastgesteld dat de interstellaire wolk zich op ongeveer 430 lichtjaar van de aarde bevindt.
Baanbrekende observatietechniek
De schittering van een pulsar veroorzaakt zulke kleine positieveranderingen dat deze met afzonderlijke telescopen niet ruimtelijk kunnen worden waargenomen. De onderzoekers maakten daarom gebruik van een geavanceerde observatietechniek en twee van ’s werelds krachtigste radiotelescopen: de 100 meter hoge Effelsberg-radiotelescoop in Duitsland en de Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) in China. Door de beweging van de aarde veranderen de posities van beide telescopen aanzienlijk in de loop van de tijd wanneer ze tegelijkertijd op PSR B1508+55 zijn gericht. Dit betekent dat in de loop van een dag soms de ene telescoop en soms de andere hetzelfde flikkeren als eerste waarneemt, afhankelijk van of Duitsland of China op dat moment meer in de richting van de beweging van de aarde is gericht. Hieruit kan een beeld worden berekend. Medeauteur Olaf Wucknitz voegt hieraan toe: “Door gebruik te maken van de grote afstand tussen de twee radiotelescopen en van de beweging van de aarde ten opzichte van de waargenomen structuren, konden we een resolutie bereiken die met geen enkele andere techniek in het waargenomen frequentiebereik mogelijk is.”
Bij hogere frequenties kunnen vergelijkbare resoluties worden bereikt door vele telescopen over de hele wereld te combineren tot een virtuele telescoop. Dit is technisch complex en de verkregen gegevens moeten in een tijdrovend proces met elkaar in verband worden gebracht. „De observatietechniek die we hebben gebruikt, stelt geen hoge eisen aan de infrastructuur. Ze werkt met lokaal verwerkte datasets die we met onze standaardlaptops konden samenvoegen”, aldus Tim Sprenger. Na dit succes zijn er observaties van nog meer pulsars gepland. Deze zouden dan meer moeten onthullen over de onzichtbare structuren van het interstellaire medium. Michael Kramer, uitvoerend directeur van het MPIfR, wijst erop dat FAST momenteel de meest gevoelige telescoop ter wereld is, en benadrukt: “Dit prachtige werk laat zien wat er mogelijk is als twee van de krachtigste instrumenten ter wereld samenwerken. Beide telescopen zijn geweldig, maar hun zeldzame combinatie is nog veel beter!”
Bron: Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR)
