12.01.2022

Onlangs is een exploderende ster ontdekt, de eerste in zijn soort, waarvan men dacht dat hij alleen in theorie bestond.

In het niet zo verre verleden werd de ontdekking van een supernova – een exploderende ster – als een zeldzame gebeurtenis beschouwd. Toen prof. Avishay Gal-Yam van de afdeling Particle Physics and Astrophysics van het Weizmann Institute promoveerde, bijvoorbeeld, vond hij er zeven in de loop van vier jaar. Tegenwoordig maken geavanceerde meetinstrumenten en analysemethoden het mogelijk om dagelijks vijftig van dergelijke explosies te detecteren. Aan de ene kant hebben de verbeterde middelen die hedendaagse astrofysici gebruiken om supernova’s te spotten deze hemelse gebeurtenissen in de loop der jaren mogelijk minder aantrekkelijk gemaakt. Aan de andere kant heeft het grotere aantal waarnemingen ervan ook de kans vergroot dat onderzoekers zeldzamere soorten explosies zouden kunnen ontdekken die tot nu toe alleen als theoretische constructies hebben bestaan. Gal-Yam en collega’s hebben onlangs een supernova van het zeldzame type ontdekt die nog nooit eerder is waargenomen. Hun bevindingen werden op 12 januari gepubliceerd in Nature.

De kern van elke ster wordt gevoed door kernfusie, waarbij de kernen van lichtere elementen samensmelten tot zwaardere elementen. De fusie van vier waterstofkernen resulteert in de vorming van een heliumatoom, terwijl verschillende heliumkernen gecombineerd resulteren in de vorming van koolstof, zuurstof, enzovoort. Het laatste element dat zich op natuurlijke wijze door kernfusie zal vormen, is ijzer, de meest stabiele atoomkern. Onder normale omstandigheden handhaaft de energie die in de kern van de ster wordt geproduceerd, extreem hoge temperaturen die ervoor zorgen dat de gasvormige materie uitzet, waardoor het fijne evenwicht met de zwaartekracht behouden blijft en de massa van de ster naar zijn centrum wordt getrokken. Zodra de ster geen elementen meer heeft om te fuseren en stopt met het produceren van energie, wordt dit evenwicht verstoord, wat leidt tot een gapend zwart gat dat openscheurt in het hart van de ster, waardoor het op zichzelf instort, of tot de explosie van de ster. die de zware elementen, die tijdens zijn evolutie zijn samengesmolten, vrijgeeft in het universum.

 

Het hele proces is natuurlijk erg lang. De levensduur van enorme sterren – het soort dat Gal-Yam, decaan van de Faculteit Natuurkunde van het Weizmann Institute of Science bestudeert – wordt als relatief kort beschouwd, hooguit een paar miljoen jaar. Ter vergelijking: de zon heeft een levensverwachting van ongeveer 10 miljard jaar. De daaropvolgende processen van kernfusie in de kern van massieve sterren leiden tot hun gelaagdheid, waarbij de zware elementen zich in de kern concentreren en geleidelijk lichtere elementen de buitenste lagen vormen. Wolf-Rayet-sterren zijn bijzonder massieve sterren die een of meer van de buitenste lagen missen die uit lichtere elementen bestaan. Op deze manier wordt het oppervlak van de ster in plaats van waterstof – het lichtste element – ​​gekenmerkt door de aanwezigheid van helium, of zelfs koolstof en zwaardere elementen. Een mogelijke verklaring voor dit fenomeen is dat sterke winden die waaien als gevolg van hoge druk bij de omhulling van de ster, de buitenste laag van de ster verspreiden, waardoor de ster de ene laag na de andere verliest gedurende enkele honderdduizenden jaren. Wanneer deze sterren worden waargenomen zonder de aanwezigheid van de lichtere elementen in hun omhulsel, is dit vergelijkbaar met een stilstaande foto die een moment in de tijd vastlegt tijdens een langdradig proces. Ondanks hun relatief korte levensduur en hun staat van progressieve desintegratie, is de supernova-explosie van een Wolf-Rayet-ster echter nog niet definitief waargenomen.

 

Analyse van het steeds groter wordende aantal supernova-ontdekkingen heeft geleid tot de hypothese dat Wolf-Rayet-sterren gewoon niet exploderen – ze vallen stilletjes uiteen in zwarte gaten – anders hadden we er nu al één kunnen waarnemen. Deze hypothese is echter zojuist verbrijzeld door de ontdekking, gedaan door de Weizmann-groep en hun internationale team van medewerkers, van een supernova afkomstig van dit type ster. Spectroscopische analyse van het licht dat door de explosie werd uitgezonden – de elektromagnetische golflengten van het licht dat door de explosie werd uitgezonden – leidde tot de ontdekking van spectrale handtekeningen die verband houden met specifieke elementen. Zo konden de onderzoekers aantonen dat de explosie koolstof-, zuurstof- en neonatomen bevatte, een element dat tot nu toe in geen enkele supernova op deze manier is waargenomen. Bovendien stelden de onderzoekers vast dat de materie die kosmische straling uitstraalt op zichzelf niet deelnam aan de ontploffing, maar eerder afkomstig was uit de ruimte rond de vluchtige ster. Dit versterkte op zijn beurt hun hypothese ten gunste van sterke winden die deelnamen aan het strippen van de ster van zijn buitenste omhulsel.

 

Aangezien deze waarneming de eerste in zijn soort is, stelt Gal-Yam dat het misschien nog te vroeg is om het lot van al dergelijke sterren ondubbelzinnig te bepalen. “We kunnen op dit moment niet zeggen of alle Wolf-Rayet-sterren hun leven met een knal beëindigen of niet. Het kan zijn dat sommigen van hen stilletjes uiteenvallen in een zwart gat”, zegt hij. “We schatten dat de massa die tijdens de explosie uiteenviel, waarschijnlijk gelijk is aan die van de zon of een iets kleinere ster; de ster die explodeerde was aanzienlijk zwaarder – met een massa die minstens tien keer groter was dan die van de zon. Dus waar is de meerderheid van de massa terechtgekomen?” Gal-Yam suggereert een midden-scenario, waarin beide mogelijke lotsbestemmingen tegelijkertijd worden vervuld: zodra de kernfusie in de kern van de ster is uitgeput, vindt er een explosie plaats die een deel van de massa de ruimte in blaast, terwijl de resterende massa instort op zichzelf en vormt een zwart gat. “Eén ding is zeker”, zegt Gal-Yam, “dit is niet de ‘stille’ ineenstorting waar in het verleden vaak naar werd verwezen. Het is vermeldenswaard dat sinds deze ontdekking voor het eerst werd gedaan, een andere soortgelijke explosie van een Wolf-Rayet-ster is waargenomen, wat impliceert dat dit fenomeen inderdaad niet een enkele gebeurtenis is. Het is mogelijk dat hoe beter onze detectie- en meetinstrumenten worden, hoe meer dit type explosie, dat tegenwoordig als zeldzaam en exotisch wordt beschouwd, een normaal verschijnsel wordt.”

 

Supernova’s lijken misschien kolossale gebeurtenissen die zo enorm ver weg plaatsvinden dat ze geen directe impact op ons leven hebben. Maar de waarheid is dat ze de kern van het leven zelf vormen. Deze kosmische explosies lanceren de elementen die in de kern van de ster zijn gesmeed naar de verre uithoeken van de Melkweg, waar ze dienen als de basis voor de geboorte van nieuwe sterren. Planeet Aarde en al zijn verschillende en diverse levensvormen (inclusief wij Homo sapiens) zijn het resultaat van zo’n gebeurtenis. “We bestuderen de oorsprong van alle materie, ook die op aarde, en zoeken naar verklaringen voor veel van de fysieke verschijnselen die we als vanzelfsprekend beschouwen”, besluit Gal-Yam. “Dit is waar ik persoonlijk in geïnteresseerd ben – waar komt dit allemaal vandaan – en ik wil deze vraag zo goed en nauwkeurig mogelijk kunnen beantwoorden.”

The Israeli research team from the Particle Physics and Astrophysics Department at the Weizmann Institute of Science. (l-r) Dr. Maayane Soumagnac (currently at Bar-Ilan University), Prof. Eran Ofek, Dr. Ofer Yaron, Dr. Nora StrotJohann, Prof. Avishay Gal-Yam, Rachel Bruch, Ido Irani, and Erez Zimmerman

Wetenschap in nummers

De snelheid van de sterke en snel uitdijende pre-supernovawinden die de onderzoekers ontdekten, is 1.500 kilometer per seconde.

 

Prof. Avishay Gal-Yam is de voorzitter van de Arlyn Imberman Professorial Chair.

 

Het onderzoek van prof. Gal-Yam wordt ondersteund door het André Deloro Institute for Advanced Research in Space and Optics; het Schwartz/Reisman Collaborative Science-programma; en het Norman E Alexander Family M Foundation ULTRASAT Data Center Fund.