Je leest:

Supernova-explosies (her)schrijven de geschiedenis van de kosmos

Supernova-explosies (her)schrijven de geschiedenis van de kosmos

Auteur: | 20 oktober 2020

Supernova-explosies zijn nuttig om grote afstanden in het universum te meten. Nieuw onderzoek impliceert echter dat deze ontploffende sterren niet zo’n stabiel meetlint vormen als eerder gedacht. Hoe ontstaat een supernova en waarom zijn ze zo innig verweven met het lot van het heelal?

Een supernova-explosie (de heldere stip linksonder) die in 1994 in het sterrenstelsel NGC 4526 zichtbaar was. De supernova schijnt veel feller dan de sterren in het sterrenstelsel, die niet individueel zichtbaar zijn.

Ze worden de ‘standaardkaarsen’ van de kosmologie genoemd. Toch doet de benaming kaars geen recht aan de spectaculaire kracht van een supernova-explosie. Een ster die normaal gesproken nauwelijks opvalt tussen zijn honderden miljarden buren kan wanneer hij ‘supernova gaat’ voor enkele maanden het podium stelen en feller schijnen dan al zijn buren in het sterrenstelsel bij elkaar. Het is wél de zwanenzang voor de ster: de explosie vernietigt de ster en een eventueel planetenstelsel daaromheen. Wat overblijft is een snel uitdijende gaswolk en schokgolf die met enkele procenten van de lichtsnelheid de ruimte in raast. Soms in verbluffende patronen, als een soort astronomisch siervuurwerk.

Een supernova kan op een afstand van miljarden lichtjaren zichtbaar zijn: het licht overbrugt een groot deel van het zichtbare universum. Bovendien heeft een bepaald type van deze explosies een voorspelbare helderheid, als kaarsen uit hetzelfde doosje, vandaar de term standaardkaars. Kosmologen ontdekten dat deze twee eigenschappen enorm handig zijn. Het biedt de mogelijkheid om tot op enorme schaal afstanden te bepalen met een redelijke precisie. De lichtkracht neemt namelijk met een voorspelbare intensiteit af met de afstand.

Supernova’s vullen de gereedschapskist van kosmologen die willen weten hoe het universum zich ontwikkelde sinds de oerknal, een kleine veertien miljard jaar geleden. Zo speelden de explosies een cruciale rol in Nobelprijswinnend onderzoek (in 2011) waaruit bleek dat het universum niet alleen uitdijt, maar dat ook steeds sneller doet.

Dat is sinds een jaar of twintig een gevestigde theorie, maar zo nu en dan zagen wetenschappers aan de poten van dat idee. Dat komt doordat nog steeds niet geheel duidelijk is hoe zo’n supernova precies ontstaat. Dit jaar nog publiceerden wetenschappers van het Duitse Max-Planck-Institut für Astronomie een onderzoek waaruit zou blijken dat de gebruikte supernova’s helemaal niet altijd even helder zijn. Wat zou dat betekenen voor ons beeld van de kosmos?

De Krabnevel is ontstaan na een supernova-explosie die in 1054 door onder andere Chinese astronomen werd waargenomen als een ster die zo helder was dat hij overdag zichtbaar was. Deze supernova was er een van een ander type dan in dit artikel beschreven wordt. Er was geen witte dwergster bij betrokken, maar hier stortte de kern van een zware ster in nadat brandstof opraakte.

De ene supernova is de andere niet

Duitse onderzoekers onder leiding van Maria Bergemann stellen in een publicatie in het vaktijdschrift Astronomy & Astrophysics van afgelopen maart dat er veel meer supernova-explosies afwijken van de standaard helderheid. Dat betekent dat die supernova’s op andere manier ontstaan.

Om dat te begrijpen moeten we een stapje terug doen: hoe kan het dat supernova’s überhaupt keer op keer met exact dezelfde helderheid ontploffen? Dat heeft te maken met het type ster dat hierin een belangrijke rol speelt: de zogenoemde witte dwerg. Dat is geen figuur dat is weggelopen uit een sprookje, maar een ster waarin geen kernfusie meer plaatsvindt. Ook onze zon eindigt over ruim vijf miljard jaar als een ‘opgebrande’ witte dwerg. In dit artikel gaan we dieper in op juist dit soort supernova’s en laten we andere types die bijvoorbeeld ontstaan uit veel zwaardere sterren grotendeels buiten beschouwing.

Een – vaak nog withete – dwergster brandt niet meer maar kan via zijn zwaartekracht nog wél materiaal aantrekken uit zijn omgeving, bijvoorbeeld van een ster in de buurt. De dwerg wordt daarbij steeds zwaarder. Dat gaat zonder veel problemen tot de zogenoemde Chandrasekhar-limiet: bij een massa van zo’n 1,4 keer die van onze zon. Op dat punt weerstaat de materie in de ster de gigantische druk niet meer en de witte dwerg stort in als een leeglopende ballon. De snel oplopende druk en temperatuur brengen de eerder gestopte kernfusie-reacties weer op gang, dit keer met een turbo erop. Binnen enkele seconden ondergaat een flink deel van de materie in de ster kernfusie: en dat levert in een klap bijna evenveel energie op als de ster in zijn hele leven heeft geproduceerd. Vanwege de onwrikbare Chandrasekhar-limiet klapt iedere witte dwergster bij dezelfde massa, met vrijwel dezelfde kracht en lichtsterkte.

Maar er zijn ook ándere scenario’s die een supernova ‘aansteken’. De Chandrasekhar-limiet kan overschreden worden wanneer er twee witte dwergsterren in steeds nauwere banen om elkaar draaien en uiteindelijk botsen. Er gebeurt iets vergelijkbaars als bij de hierboven beschreven supernova, met het verschil dat de massa heel anders is dan die van de limiet. Ook de lichtsterkte verschilt dan. Tot slot kan een witte dwerg ook ontploffen wanneer hij nog ver van de limiet afzit. Een kleinere explosie in de schil van de ster kan een schokgolf veroorzaken die de rest van de ster laat ontploffen. Dit wordt een dubbele ontploffing genoemd. Het zijn dit soort alternatieve scenario’s die niet aan de limiet zijn gebonden en die volgens de Duitse onderzoekers in veel meer gevallen een rol spelen in de supernova’s die we tot diep in het heelal waarnemen.

Het vaakst voorkomende supernova-scenario is vermoedelijk dat van een witte dwergster die via de zwaartekracht materie aantrekt van een veel grotere begeleidende ster waarbij de eerstgenoemde zo zwaar wordt dat hij explodeert (links). Maar er zijn ook alternatieve theorieën: twee witte dwergsterren botsen op elkaar en exploderen (midden) en een witte dwergster wordt instabiel en ontploft als het ware twee keer (rechts).

Maar hoe weet je nu welk scenario het belangrijkst is? Aan de lichtkracht kun je het niet afleiden. De Duitse wetenschappers keken daarom naar een indirecte aanwijzing: de hoeveelheid mangaan die in het universum aanwezig is. Supernova’s zijn het enige bekende natuurlijke mechanisme dat het metaal produceert en in het heelal verspreidt, de verschillende supernova-scenario’s doen dat bovendien in verschillende mate. Uit het verspreide supernovamateriaal ontstaan op termijn weer nieuwe sterren, die vervolgens weer als supernova eindigen: een kosmische cyclus die de hoeveelheid mangaan stapsgewijs verhoogt. Eerdere computermodellen en metingen gaven aan dat de concentratie mangaan in sterren op deze manier over de loop van miljarden jaren langzaam toeneemt. Een scenario dat goed te rijmen is met veel ‘standaard-scenario’ supernova’s. Overigens gaat het om schijnbaar minuscule hoeveelheden mangaan, dat maakt slechts honderdsten of duizendsten van een procent van de massa van een ster uit.

Oude sterren zouden minder mangaan moeten bevatten (het materiaal waaruit ze ontstonden was nog niet ‘verrijkt’). Maar dit is niet wat de Duitsers vonden. Met een verfijnd computermodel vonden ze juist een vrij stabiele hoeveelheid mangaan door de gehele kosmische geschiedenis. Oude en jonge sterren lijken ongeveer evenveel mangaan te hebben. En nu komen de supernova’s weer in beeld, want volgens berekeningen van de onderzoekers blijft de hoeveelheid mangaan constant als de bijdragen van verschillende supernova-explosies heel anders liggen. Dat heeft onder meer gevolgen voor de supernova-explosies met vaste helderheid, die een veel minder grote rol spelen dan werd aangenomen. Ze vermoeden dat slechts een kwart van de ‘witte dwerg’-supernova’s op deze manier verloopt.

Restant van een supernova in de Grote Magelhaense Wolk.

Consequenties voor de kosmos

Als supernova’s niet altijd even helder zijn, kan dat consequenties hebben voor ons beeld van de kosmos: ze zijn dan misschien niet de standaardkaarsen die we dachten dat ze waren. Als we in de eerdere analogie blijven dan kijken we wel naar een stel kaarsen, maar ze komen niet allemaal uit hetzelfde doosje. En nog problematischer: de doosjes geven niet aan wat de lichtsterkte van de kaarsen dan wel is. Een afstandsbepaling is lastig als je de lichtsterkte van de bron niet weet.

De Duitse onderzoekers gaan in hun artikel niet echt in op de kosmologische implicaties. Jacco Vink is universitair hoofddocent op het gebied van hoge energie astrofysica van de Universiteit van Amsterdam en heeft het artikel gelezen. Hij denkt niet dat de bestaande kosmologische theorie meteen overboord moet. “Het is inderdaad lastig dat we niet precies weten wat de bijdrage van verschillende supernova-scenario’s is, maar als de oude en nieuwe populaties supernova’s ongeveer hetzelfde zijn dan blijft de theorie van het steeds sneller uitdijende heelal gewoon staan”, zegt hij. “Je komt pas echt in de problemen als de supernova’s van lang geleden fundamenteel anders waren dan die van nu.” Met andere woorden, als de genoemde alternatieve scenario’s altijd al veel voorkwamen dan heb je zowel vroeger als nu een vergelijkbare situatie. Bovendien zijn er los van de supernova’s andere aanwijzingen voor het steeds sneller uitdijende heelal, zoals de manier waarop de materie in het heelal is verdeeld.

Uitgelicht door de redactie

Biotechnologie
In het ziekenhuis van de toekomst beland je vóórdat je ziek wordt

Biologie
Spaceship Earth: real-life soap of wetenschap?

Geesteswetenschappen
Een schuilplaats van slimme surveillancetechnologie

Supernovadebat

Ook dit jaar verscheen er een artikel in het wetenschappelijke tijdschrift The Astrophysical Journal waarin Britse wetenschappers op basis van computersimulaties stellen dat er juist wél een toename is van de hoeveelheid mangaan door de jaren heen. Zij concluderen daarom dat de meeste supernova-explosies met witte dwergen het scenario’s met de vaste helderheid (en dus de Chandrasekhar-limiet) volgen. Hoe zit dat nu?

Vink laat weten dat er een heus supernovadebat is in de astronomische gemeenschap. “Ik ken inderdaad Britse collega’s die beweren dat er vrijwel alleen maar supernova’s met vrijwel dezelfde helderheid op de Chandrasekhar-limiet plaatsvinden”, zegt hij. “Toch denk ik dat de gemeenschap als geheel de alternatieve supernova-scenario’s met afwijkende helderheid steeds serieuzer neemt.”

Wat de discussie verder kan helpen zijn vroege waarnemingen van supernova’s, eigenlijk nog voor het moment dat ze hun intense helderheid bereiken. Die bevatten misschien aanwijzingen over welke ster of sterren erbij betrokken waren. Vink noemt het Vera C. Rubin Observatory in Chili dat met een uitzonderlijk groot blikveld vanaf 2021 een flink deel van de nachthemel in de gaten gaat houden. “Hiermee ontdekken we supernova’s in een vroeg stadium”, zegt hij. “Hopelijk vroeg genoeg om informatie op te vangen over de voorgangers van de explosies.”

Ook de groeiende database van de in 2013 gelanceerde Europese Gaia-satelliet kan aanwijzingen bevatten over hoe vaak witte dwergsterren in paren voorkomen. Gaia maakt een inventarisatie van enkele miljarden sterren in onze de Melkweg. Tot slot kan ook een gevoelig ruimte-observatorium voor zwaartekrachtgolven zoals het LISA-observatorium signalen opvangen van witte dwergen die om elkaar heen draaien. De lancering van LISA is midden jaren 30 gepland.

Vink laat weten dat er in de Melkweg zo’n vierhonderd resten van supernova’s bekend zijn, waarvan er zo’n tien nog ‘bruikbaar’ zijn voor onderzoek naar de samenstelling van de uitdijende gaswolk. Daar mag er best wel weer eentje bij komen: astronomen verwachten per eeuw twee tot drie supernova’s in een sterrenstelsel zoals de Melkweg. Twintig procent tot een kwart daarvan zijn supernova’s waarbij witte dwergen betrokken zijn, zegt Vink. De laatste observatie van een supernova in onze eigen Melkweg was waarschijnlijk in 1604 door onder andere de Duitse astronoom Johannes Kepler, misschien nog gevolgd door een ander exemplaar in 1680 die door de Britse astronoom John Flamsteed werd gezien. Maar hij had wellicht niet eens door dat hij naar een supernova keek. Hoe je het ook wendt of keert: het is in de Melkweg weer tijd voor kosmisch vuurwerk, dat wanneer het dichtbij genoeg is zelfs met het blote oog zichtbaar kan zijn.

Bronnen

  • Eitner P. et al., Observational constraints on the origin of the elements III. Evidence for the dominant role of sub-Chandrasekhar SN Ia in the chemical evolution of Mn and Fe in the Galaxy, Astronomy & Astrophysics (3 maart 2020), DOI:10.1051/0004-6361/201936603
  • Kobayashi C. et al., New Type Ia Supernova Yields and the Manganese and Nickel Problems in the Milky Way and Dwarf Spheroidal Galaxies, The Astrophysical Journal (4 juni 2020), DOI:10.3847/1538-4357/ab8e44
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 20 oktober 2020

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.