Tomasz Plewa van het Center for Astrophysical Thermonuclear Flashes and Astronomy & Astrophysics (Flash Center) kan niet wachten. Zijn onderzoeksgroep kreeg 2,7 miljoen uur rekentijd van het Amerikaanse Department of Energy toegewezen voor een monster-simulatie van ontploffende sterresten. Dat is ruim vijf keer zoveel dan de 500.000 rekenuren die het centrum jaarlijks gebruikt! Plewa verwacht dan ook grootse resultaten.

Kaarsje kijken

Waarom zijn ontploffende sterren zo interessant? De supernovae die ontstaan uit witte dwergen (type Ia supernovae) zien er volgens de theorie allemaal hetzelfde uit. Daardoor zijn ze erg geschikt om afstanden in het heelal mee te meten. Als je weet hoeveel licht een supernova in een ver sterrenstelsel uitzendt, kun je door de schijnbare helderheid te meten bepalen hoe ver hij van je afstaat. Daarom worden type Ia supernovae als standaardkaarsen gebruikt.

Een witte dwerg is de uitgebrande kern van een ster als de zon. De dwergster is ongeveer zo groot als de aarde, maar kan tot 1,4 maal zo zwaar zijn als de zon; de precieze limiet (1,44 zonsmassa’s) is bepaald door de Indiase sterrenkundige Subrahmanyan Chandrasekhar. De witte dwerg weerstaat instorting onder zijn eigen gewicht, doordat elektronen in de ster via het kwantummechanische Pauli-verbod tegendruk bieden. Boven de Chandrasekhar-limiet is die tegendruk niet genoeg en stort de ster in – om daarna te ontploffen.

Plewa en zijn team gaan precies simuleren hoe een witte dwerg ontsteekt. De algemene theorie is bekend: materiaal van een begeleidende ster regent neer op de witte dwerg, die daardoor steeds zwaarder wordt. Op een gegeven moment wordt de druk van al die massa zó groot, dat de ster onder zijn eigen zwaartekracht instort. Daardoor ontsteekt een kernreactie die de witte dwerg uiteenblaast. De details daarvan zijn nog nooit perfect berekend.

Zo is het maar de vraag waar de explosie begint. Eén theorie zegt dat het centrum eerst ontploft, met een schokgolf die langzamer dan de geluidssnelheid van de ster naar buiten beweegt. Op een gegeven moment vindt extra ontsteking plaats, versnelt de schokgolf tot supersonische snelheden (meer dan 4800 kilometer per seconde!) en blaast de ster uit elkaar. Een andere theorie zegt, dat de schokgolf niet versneld, maar aan de buitenrand uitdooft, waarna de witte dwerg instort en door die schok pas echt ontsteekt. “Het zou mooi zijn als we de ontsteking in de simulaties te zien zouden krijgen,” zei Plewa.

Schalen

Een supernova simuleren is geen simpele klus, vandaar dat er zoveel rekentijd voor nodig is. Het proces waarbij een witte dwerg materiaal van een begeleidende ster invangt kan miljoenen jaren duren, maar de ontsteking van de supernova-explosie duurt minder dan een seconde. Ook moet de simulatie effecten op zowel schalen van kleiner dan een kubieke centimeter tot het complete volume van de ster meenemen.

Eén van de problemen die Plewa’s team op hoopt te lossen is dat van de stoffen die in de supernova gevormd worden; kernreacties vormen in de enorme hitte en druk allerlei elementen. Die zijn zichtbaar in het spectrum van de supernova, maar tot nu toe hebben computersimulaties de waargenomen hoeveelheden niet goed weten te voorspellen.