Schep één theelepel neutronenstof en deze zou ongeveer 900 keer zwaarder zijn dan de Grote Piramide van Giza. Niets in die zin is overdreven — het is simpelweg wat gebeurt wanneer de kern van een stervende ster wordt samengeperst voorbij het punt waar atomen hun vorm kunnen behouden.
Een neutronenster is wat overblijft na het instorten van een massieve ster. Het is geen planeet, geen normale ster en niet echt een zwart gat — het bevindt zich in de smalle zone net voordat zwaartekracht volledig wint. Sinds de ontdekking van Jocelyn Bell Burnell hebben astronomen steeds vreemdere voorbeelden gevonden, van sterren die sneller draaien dan een keukenblender tot sterren wiens magnetische velden een creditcard van halverwege de Maan uit zouden kunnen wissen.
Een ster geperst tot stadsgrootte
Neem een ster met ongeveer 1,4 keer de massa van de Zon en pers deze in een bol van slechts ongeveer 10 kilometer (6 mijl) doorsnede, en je hebt een neutronenster. Dit is ongeveer de breedte van een kleine stad, met de massa van een ster die miljoen jaren brandde over een diameter die je in enkele minuten kon overbruggen.
De compressie is zo extreem dat gewone materie het niet kan overleven. Protonen en elektronen worden samen in neutronen geperst, wat is waar het object zijn naam vandaan krijgt. Het resultaat is zo dicht dat één theelepel ervan ongeveer 900 keer zwaarder zou zijn dan de Grote Piramide van Giza — een feit dat niet meer abstract klinkt op het moment dat je probeert een zo zware theelepel op een keukentafel voor te stellen.
Het punt waar zelfs een neutronenster opgeeft
Neutronensterren hebben een gewichtslimit, en het overschrijden ervan betekent een zwart gat worden. Het 2017 GW170817 fusioneertsgeval, waarvan wordt aangenomen dat het kort na de impact in een zwart gat instortte, stelde astronomen in staat zijn zwaartekrachtgolfsignaal te gebruiken om die limiet op ongeveer 2,17 zonnemassa's in te stellen voor een niet-draaiende neutronenster.
Echte neutronensterren komen opmerkelijk dicht bij die grens. De meest massieve tot nu toe bevestigd, een pulsar geclassificeerd als PSR J0952-0607, weegt ongeveer 2,35 zonnemassa's, met het werkelijke cijfer ongeveer 0,17 in beide richtingen onzeker. Dit plaatst het recht op de grens waar een iets zwaardere versie van hetzelfde object zou stoppen met het zijn van een ster.
Sommige hiervan draaien sneller dan een blender
Omdat een imploderende ster het grootste deel van zijn oorspronkelijke rotatie behoudt terwijl hij inkrimpt tot een fractie van zijn vorige grootte, draaien neutronensterren uiteindelijk tegen snelheden waarvoor geen dagelijks vergelijk bestaat. De recordhouder, een pulsaar genaamd PSR J1748-2446ad, voltooit 716 rotaties per seconde — dat loopt uit op 42.960 omwentelingen per minuut, met materiaal aan het oppervlak bewegend op ongeveer een kwart van de lichtsnelheid.
Draaiende neutronensterren die straling naar de Aarde sturen, worden pulsars genoemd, omdat vanuit ons standpunt de straal lijkt op een ritmische puls, vergelijkbaar met een vuurtoren die langs een schip vaart. Een typische is maar ongeveer 30 kilometer breed, maar slaagt er toch in honderden keren per seconde te draaien terwijl hij die straal radiogolven — en soms röntgenstralen — de ruimte in schiet.
Een grafiekrecorder, 57 tennisbanen en een gemiste ontdekking
Pulsars werden bijna toevallig ontdekt. Een Cambridge-doctoraatsstudent genaamd Jocelyn Bell hielp een radioscoop te bouwen die iets minder dan twee hectare grond bedekte, ongeveer dezelfde oppervlakte als 57 tennisbanen. In plaats van een scherm produceerde het resultaten op analoge wijze: grafiekrecorduingen met pen op papier die meer dan 30 meter per dag verstrekte, die zij met de hand door moest werken.
Begraven in dat papier was een signaal te regelmatig om ruis te zijn. Bell en haar supervisor, Antony Hewish, publiceerden de ontdekking in het tijdschrift Nature, en de bevinding won uiteindelijk een Nobelprijs — maar toen de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1974 daarvoor werd toegekend, ging de eer naar Hewish en zijn collega Martin Ryle, niet naar Bell zelf, een beslissing die natuurkundigen vandaag nog steeds bespreken.
Pulsar-jacht is ver gekomen sinds een stapel papierafdrukken. Astronomen hebben nu meer dan 2.600 van hen gecatalogiseerd, vooral in de Melkweg, en gebruiken ze om naar lage-frequentie zwaartekrachtgolven te zoeken, de structuur van de sterrenstelsel in kaart te brengen en Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen. De Parkes-radioscoop van Australië, die zijn eerste pulsar-waarneming in 1968 deed, verscheen later naast een afbeelding van een pulsaar op de eerste Australische biljoen dollarbiljeton — een zeldzaam geval van een wetenschappelijk instrument op valuta.
Magnetaren: De sterkste magneten in het heelal
Sommige neutronensterren nemen de extremen nog verder. Magnetaren zijn een subklasse met magnetische velden zo krachtig dat normale fysica begint om hen heen te buigen, en vanaf juli 2021 hadden astronomen er 24 bevestigd.
De schaal van dat magnetisme is moeilijk te overdrijven. Op halverwege tussen de Aarde en de Maan — wiens gemiddelde scheiding 384.400 kilometer (238.900 mijl) is — zou het veld van een magnetaar nog steeds de gegevens op de magnetische strip van elke creditcard op de planeet kunnen wissen. Dichtbij een in het echte leven zou een erg slecht idee zijn, en gelukkig zijn de dichtstbijzijnde bekende magnetaren op geen enkele manier zo dichtbij.
Als twee van hen botsen
Neutronensterren omcirkelen elkaar af en toe dicht genoeg om in een spiraal te gaan en samen te smelten, en het resultaat is een van de meest gewelddadige gebeurtenissen die astronomen kunnen waarnemen. Zwaartekrachtgolven van precies zo'n botsing, genaamd GW170817, bereikten de waarnemingsstations LIGO en Virgo op 17 augustus 2017; de bron waren twee neutronensterren die samensmelten in NGC 4993, een sterrenstelsel in het sterrenbeeld Hydra ongeveer 140 miljoen lichtjaar van de Aarde.
Die fusie was geen geval. Een gammaflits genaamd GRB150101B, vermoedelijk een vergelijkbare fusiegebeurtenis, werd getraceerd naar een veel verder weg van de Aarde — ongeveer 1,7 miljard lichtjaar weg — wat suggereert dat deze botsingen vaker in het heelal voorkomen dan welke enkele detectie ook zou kunnen tonen. Van elke fusie wordt aangenomen dat zij zware elementen smeedt die geen normale ster kan produceren, het heelal zaad dat uiteindelijk in planeten en mogelijk in sieraden terechtkomt.
Vreemd gezelschap: Een buitenlandse angst en een album-cover
Neutronensterren hebben hun sporen ver buiten astronomische tijdschriften nagelaten. De eerste bevestigde planeten buiten ons eigen zonnestelsel werden in 1992 gevonden, en zij orbiteerden helemaal geen normale ster — zij orbiteerden de pulsaar PSR B1257+12, een ontdekking die onderzoekers verraste die naar planeten rond zonne-achtige sterren hadden gezocht.
Decennia eerder was het allereerste pulsarsignaal zo precies regelmatig dat wetenschappers zich kort afvroegen of het een kunstmatig baken kon zijn. Dat was het niet, maar een grafiek van zijn ritmische signaal kreeg een onwaarschijnlijk tweede leven: de Engelse post-punk-band Joy Division koos die pulsargrafiek als kunstwerk voor Unknown Pleasures, het album uit 1979 dat hun debuut lanceerde — een natuurkundige lezing in een van de meest herkende afbeeldingen in rockmuziek.