Sterexplosies zoeken met Afrikaanse supertelescoop

Elk jaar vinden er in de Melkweg tientallen gigantische explosies plaats. Maar tegen de tijd dat astronomen hun telescopen erop richten is het hoogtepunt van het spektakel vaak al gepasseerd. Postdoc Valério Ribeiro (Radboud Universiteit) zet twee gloednieuwe Afrikaanse telescopen in om deze novae te bestuderen.

12 maart 2015

Gk Persei is een nova-explosie die in 1901 plaatsvond. Tegenwoordig zijn de resten van het ruim honderd jaar oude spektakel nog zichtbaar. — Gk Persei is een nova-explosie die in 1901 plaatsvond. De resten zijn nu nog zichtbaar.
US Naval Observatory

Het is een soort kosmisch vuurwerk. Een knal, een felle lichtflits en daarna gloeiende stukken materiaal die in alle richtingen wegschieten.

In werkelijkheid kijken we naar een spektakel dat het aardse vuurwerk letterlijk en figuurlijk zou wegvagen. Een nova (meervoud novae) is een gigantische nucleaire explosie over het gehele oppervlak van een zware ster.

Een deel van de stermassa wordt daarbij de ruimte ingeslingerd. De felle ‘flits’ van een nova is tot wel honderd dagen zichtbaar, de resten zijn zelfs nog eeuwen later te zien.

Schokgolven

Ondanks het feit dat novae met enige regelmaat voorkomen in de Melkweg, zo’n dertig per jaar, begrijpen astronomen ze niet volledig. Waarom zien de schokgolven novae er zo uit? Hoe ontstaan de klonten van materie die het heelal in worden geslingerd en in welke mate produceren ze voor het leven belangrijke elementen zoals koolstof, zuurstof en ijzer? Wat bepaalt de regelmaat waarmee novae uitbarsten?

“Er zijn veel modellen waarmee astronomen novae proberen te doorgronden”, zegt Valério Ribeiro, postdoc-onderzoeker van de Radboud Universiteit Nijmegen. “Maar ze lopen daarbij regelmatig tegen de grenzen aan van wat computers kunnen doorrekenen. Er is simpelweg meer rekenkracht nodig.” Ribeiro drukt zich diplomatiek uit als hij zegt dat de meeste modellen van novae ‘niet fout’ zijn.

Om de ‘aardse’ modellen van novae te testen, zijn bovendien waarnemingen nodig. Veel meer dan er nu zijn. Ribeiro zegt dat deze over verschillende spectra uitgesmeerd moeten zijn. “In het radiospectrum is het mogelijk om details te vinden over de temperatuur en de massa van de betrokken materie. In het zichtbare spectrum kunnen we novae beter vinden, identificeren en met elkaar vergelijken.”

Onderzoekers zijn het wel eens over de basics van een nova-explosie. Het begint met een relatief kleine maar zware witte dwergster. Deze trekt met haar zwaartekracht massa van een grote begeleidende ster aan. De steeds zwaarder wordende witte dwerg bereikt een kritieke massa, waarbij een enorme nucleaire kettingreactie op gang komt.

Hoe gewelddadig ook, de explosie betekent niet het einde van de witte dwerg. Sterker nog, de weggeslingerde materie kan uiteindelijk weer terugvallen op de ster, waardoor er een nieuwe nova ontstaat. In onze Melkweg zijn er zo’n tien van deze terugkerende novae bekend. De meeste hebben een periode van ongeveer tien jaar.

Een nova is niet te verwarren met een supernova, een nóg krachtigere explosie waarbij vaak een witte dwergster wordt vernietigd. Bij een supernova ontbrandt óók de kern van de ster, in tegenstelling tot een oppervlakkige nova-explosie.

Impressie van een nova-explosie. De explosie kan korte tijd evenveel energie uitzenden als onze zon in 100.000 jaar tijd. Klik hier voor een geanimeerde nova-explosie.

MeerKAT en MeerLICHT

De waarnemingen waar Ribeiro en collega’s op wachten komen eraan. Want momenteel verrijzen in Zuid-Afrika MeerKAT en MeerLICHT. MeerKAT is een internationale radiotelescoop die bestaat uit 64 schotels met een diameter van 13,5 meter. MeerLICHT is een optische telescoop die door NWO en een aantal universiteiten (waaronder de Nijmeegse) is gefinancierd. De hoofdspiegel heeft een (enigszins bescheiden) diameter van van 65 centimeter.

Het idee is dat MeerLICHT en MeerKAT steeds hetzelfde stukje hemel in de gaten houden, waardoor er altijd radio- én optische waarnemingen zijn. “Dat is uniek, want eerder duurde het vaak een tijdje voordat astronomen hun radiotelescopen hebben gericht op het moment dat er in het optische spectrum een nova werd gedetecteerd”, aldus Ribeiro.

Hoe sneller je een nova in het vizier van de telescopen hebt, hoe meer je erover kunt leren. “Het kan zijn dat je belangrijke aanwijzingen mist aan het begin van de explosie”, zegt Ribeiro. “Maar eigenlijk vind ik het nog belangrijker dat we gegarandeerde waarneemtijd hebben op deze telescopen. MeerLICHT wordt zelfs speciaal gebouwd voor sterexplosies. Op grote telescopen is zoveel concurrentie dat je vaak niet zeker bent van meettijd op bepaalde momenten.”

De MeerKAT-radiotelescoop in aanbouw in Zuid-Afrika. De enorme telescoop bestaat uit een groot aantal schotelantennes. — De MeerKAT-radiotelescoop in aanbouw in Zuid-Afrika.
SKA South Africa

Er zijn een aantal redenen dat deze telescopen in Zuid-Afrika worden gebouwd. Ten eerste is de plek hoog (ongeveer een kilometer) en droog, de ijle en droge atmosfeer verstoort metingen minimaal. Verder is de afgelegen plek vrij van interferentie door de mens zelf. Het is er pikdonker ‘s nachts en er zijn nauwelijks storende radiobronnen.

Ook het feit dat de telescopen op het zuidelijk halfrond staan is volgens Ribeiro voordelig. “Vanaf daar is het centrum van de Melkweg te zien. Daardoor zijn er daar meer novae te zien.”

Square Kilometer Array

MeerKAT is een van de voorlopers van het (SKA), de grootste radiotelescoop ooit die verrijst in Afrika én Australië. Het apparaat dat in totaal uit drieduizend gekoppelde schotelantennes bestaat moet vanaf 2020 in bedrijf gaan. De schotels van MeerKAT gaan uiteindelijk ook deel uitmaken van SKA.

Observaties bij de buren

Hoewel de meerderheid van de geobserveerde novae in onze eigen Melkweg plaatsvinden is het ook nuttig om naar buursterrenstelsels te kijken, zoals de enorme Andromedanevel. “Daar gebeurt heel veel”, zegt Ribeiro. “Zo’n zestig novae per jaar die bovendien vrijwel allemaal zichtbaar zijn. In onze eigen Melkweg hebben we namelijk veel last van stofwolken, waardoor we er uiteindelijk maar een stuk of tien waarnemen.”

Het Andromeda-sterrenstelsel. — Het Andromeda-sterrenstelsel op een afstand van ongeveer 2,5 miljoen lichtjaar van onze Melkweg. Het zou bestaan uit zo’n 1000 miljard sterren.
Adam Evans via CC BY 2.0

Juist het observeren van een groot aantal explosies kan het onderzoek verder helpen, zegt Ribeiro. “In tegenstelling tot novae in onze eigen Melkweg zien we op grote afstand alleen maar de lichtpiek van de explosie. Toch kunnen we uit het spectrum enorm veel informatie halen, zoals de aanwezige chemische elementen.”

Hij gaat verder: “Als je onderzoek wil doen aan de hele populatie van novae dan heb je daar meer aan dan aan prachtige plaatjes van explosies in onze eigen Melkweg. Daar krijg je soms juist té veel informatie uit.”

Horizon verbreden

Naast het feit dat Ribeiro – zelf afkomstig uit Mozambique – nauw betrokken is bij de bouw van telescopen in Afrika, maakt hij zich ook hard voor goede communicatie over de megaprojecten die er verrijzen, zoals MeerKAT en uiteindelijk SKA.

Hij was in Mozambique op televisie om te praten over wetenschap, techniek en deze projecten. Ook was hij betrokken bij open sky nights waarbij astronomen met telescopen het land in trokken om de mensen naar de nachthemel te laten kijken, en schoolprogramma’s over astronomie.

“Veel locals hebben eigenlijk niet door wat er nu gebeurt op het gebied van astronomie in Afrika, ze maken zich druk om heel andere dingen. En dat is begrijpelijk”, zegt Ribeiro. “Toch zie ik juist kansen om er het vakgebied bij een groter publiek te brengen. Zeker nu de telescopen bij wijze van spreke in de eigen achtertuin staan.”

Ribeiro durft nog wel een stapje verder te denken: “Als het aan mij ligt dan moet er uiteindelijk een Afrikaanse industrie uit deze megatelescopen rollen. Ik denk bijvoorbeeld aan het maken van CCD’s voor telescopen.”

Maar eerlijk is eerlijk, er is nog een lange weg te gaan voor het zo ver is. “Het begint bij het opleiden van een persoon, daarna kan een hele generatie volgen.”