Plotseling verschijnt er een nieuwe ster aan de hemel. Hij straalt zo helder dat hij niet alleen ’s nachts te zien is, maar ook overdag. Het is 1054, en Chinese astronomen noteren het nieuwe hemellichaam als een ‘gastster’, die 653 dagen aan de nachthemel te zien is en dan weer verdwijnt.
964 jaar later analyseert de Japanse amateurastronoom Koichi Itagaki de foto’s die hij zojuist met zijn telescoop van de nachtelijke hemel gemaakt heeft.
In een van de beelden merkt hij een klein, helder stipje op dat er eerst niet was. Hij haast zich om zijn ontdekking te melden, en professionele astronomen doen zijn werk nog eens dunnetjes over met grotere telescopen.
Twee supernova’s illustreren bijna 1000 jaar na elkaar het lot van middelgrote sterren.
Volgens moderne astronomen hebben de waarnemingen uit 1054 en 2018 iets met elkaar gemeen. In beide gevallen hebben astronomen een supernova – een exploderende ster – gezien van het zeldzame type EI-supernova (EI staat voor elektronenvangst).
Met deze ontdekking kunnen wetenschappers eindelijk verklaren wat er gebeurt met sterren die veel groter en massiever zijn dan de zon, maar toch niet tot de absolute superliga onder de sterren behoren.
Supernova SN 2018zd laat zien hoe een middelgrote ster sterft. Hij werd aangetroffen aan de rand van het sterrenstelsel NGC 2146, op 31 miljoen lichtjaar afstand.
Het lot van de middelgrote sterren, met acht tot tien keer zo veel massa als de zon, was onder astronomen altijd een punt van discussie.
Theorie van 40 jaar oud
Ruim 40 jaar geleden voorspelde de astronoom Ken’ichi Nomoto van de universiteit van Tokio het bestaan van EI-supernova’s al. Sindsdien hebben astronomen gezocht naar supernova’s die aan de theoretische beschrijving voldoen, maar pas met supernova SN 2018zd kwam er een doorbraak.
Na een paar jaar van waarnemingen met verschillende telescopen is het nu eindelijk duidelijk dat SN 2018zd een EI-supernova moet zijn.
De Japanner Ken’ichi Nomoto staat aan de basis van de theorie van speciale EI-supernova’s: zo een die in 1054 aan de hemel te zien was. De overblijfselen ervan vormen nu de Krabnevel.
Middelgrote sterren komen nogal dramatisch aan hun einde. Als hun brandstof op is, exploderen ze als supernova, waarbij ze een neutronenster achterlaten – een extreem compact hemellichaam dat voor het grootste deel uit neutronen bestaat.
Dit is een schoolvoorbeeld van de combinatie van waarnemingen en theorie. Ken’ichi Nomoto, astrofysicus en grondlegger van de theorie over EI-supernova’s
Supernova’s zijn de krachtigste explosies in het heelal. Eén supernova kan even helder schijnen als miljarden gewone sterren, terwijl hij zijn zware elementen het heelal in slingert. Hier kunnen ze later nieuwe sterren en planeten vormen, zoals dat in ons eigen zonnestelsel gebeurd is.
Zonder supernova-explosies zou het zonnestelsel veel van de elementen missen die nodig zijn voor het ontstaan van planeten en leven. Daarom is het voor astronomen belangrijk om supernova’s goed te begrijpen – en uiteraard is het opzienbarend als er een geheel nieuw type supernova verschijnt.
Het basismechanisme achter alle supernova’s is dat de druk binnen in een ster te zwak wordt om weerstand te bieden aan de zwaartekracht, die in tegengestelde richting werkt.
De ster kan zijn inwendige druk alleen handhaven zolang hij brandstof heeft om zijn fusieprocessen gaande te houden.
Als er geen atoomkernen meer zijn om te fuseren, krijgt de zwaartekracht de overhand. Het hart van de ster stort in en het resultaat is een supernova-explosie.
De buitenste delen van de ster vallen eerst naar het centrum toe en worden dan de ruimte in geblazen, terwijl de kern verandert in een ultracompact object: een neutronenster of zwart gat.
Dode sterren kunnen exploderen
Tot nu toe kennen astronomen het proces achter twee soorten supernova’s. De ene soort ontstaat wanneer zeer massieve sterren sterven, de andere is het resultaat van een proces waarbij een lichtere maar al dode ster – een zogeheten witte dwerg – nieuwe materie aantrekt.
Die materie kan afkomstig zijn van een partnerster waar hij omheen draait of van een andere witte dwerg waar hij tegenaan botst.
Met de waarnemingen van SN 2018zd kunnen astronomen verklaren hoe zelfs middelgrote sterren als supernova’s kunnen eindigen.
Drie soorten sterren kunnen eindigen als supernova
Lichtgewicht: minder dan 8 zonnemassa’s
Een witte dwerg, het restant van een kleine ster ter grootte van de zon, kan als een supernova exploderen als hij genoeg materie van een nabije ster aantrekt.
Middelgewicht: 8-10 zonnemassa’s
Een rode superreus van acht tot tien zonnemassa’s kan uiteindelijk als supernova exploderen door een speciaal proces dat elektronenvangst heet.
Zwaargewicht: meer dan 10 zonnemassa’s
Reuzensterren van meer dan tien zonnemassa’s eindigen hun leven altijd als supernova. De lichtste laten neutronensterren achter, de zwaarste storten in tot zwarte gaten.
In middelgrote sterren vecht de zwaartekracht tegen de druk van de atomen in het hart van de ster, terwijl de ster opbrandt. De zwaartekracht lijkt niet direct sterk genoeg om de ster volledig te laten instorten, maar Ken’ichi Nomoto berekende dat dit toch kan.
De druk op de kern is zo groot dat de elektronen van de atomen naar de atoomkernen gestuwd worden, en zonder de hulp van de elektronen houdt de kern van de ster het niet langer.
Het is net als lucht persen in een verstopte fietspomp. Als je druk uitoefent, voel je hoe de luchtmoleculen zich verzetten. Hoe harder je drukt, hoe groter de weerstand.
Maar als een groot deel van de moleculen plotseling verdwijnt, zoals de elektronen in het centrum van een stervende, middelgrote ster, valt de weerstand weg en krijg je de pomp makkelijk omlaag.
Ook wanneer de elektronen in het hart van de ster plotseling verdwijnen, heeft de zwaartekracht het makkelijk. Het resultaat is een instorting die hevig genoeg is om een ontploffing te veroorzaken zoals de supernova die de astronomen nu hebben waargenomen.
Elektronen laten de zwaartekracht zijn werk doen
In een stervende ster voltrekt zich een dramatisch duel tussen de inwendige druk (gele pijlen) en de zwaartekracht (blauwe pijlen). In middelgrote sterren wint de zwaartekracht het doordat elektronen worden ingevangen.
1. Elektronen houden de zwaartekracht in toom
De kern van de stervende reuzenster bestaat uit atoomkernen van zuurstof, neon en magnesium, plus een stel vrije elektronen die door elkaar schieten. De druk van de elektronen werkt de zwaartekracht tegen, die de kern probeert samen te persen.
2. Atoomkernen vangen elektronen
De snelle elektronen dringen de kernen binnen, waar ze samen met protonen neutronen vormen. De kernen kunnen dan nog meer elektronen invangen. Zonder vrije elektronen daalt de inwendige druk van de ster en wint de zwaartekracht het.
3. Ster explodeert als supernova
Als het hart van de ster instort, explodeert hij als een supernova. De explosie blaast de buitenste laag van de ster weg van de kern, die nu een compacte massa van neutronen is: een neutronenster van slechts zo’n 22 kilometer in doorsnee.
De nieuwe EI-supernova bevindt zich in het sterrenstelsel NGC 2146, 31 miljoen lichtjaar van de aarde, dus we zien er niet veel van. Toen astronomen hem voor het eerst opmerkten, vonden ze hem dan ook niets bijzonders.
Maar bij nadere beschouwing bleek dat SN 2018zd zich anders gedroeg dan andere supernova’s, en dat bracht de wetenschappers op het juiste spoor.
Elementen leveren het bewijs
Volgens het theoretische model is een EI-supernova vrij zwak en zendt hij niet zo veel radioactief nikkel uit als andere supernova’s.
Bovendien zal hij omgeven zijn door een lading materie die de ster vlak voor de explosie afwerpt, en die materie zal meer helium, koolstof en stikstof bevatten, maar minder zuurstof, dan grotere sterren die als supernova’s ontploffen.
Astronomen volgden SN 2018zd een paar jaar lang met een reeks telescopen, en het werd steeds duidelijker dat dit een EI-supernova kon zijn, want zijn helderheid kwam overeen met de theorie. Speciale instrumenten op de dubbeltelescoop Keck op Hawaï wisten de door de supernova uitgezonden elementen te identificeren, en ook hier klopte alles.
Astronomen volgden supernova SN 2018zd een paar jaar, waarna ze vaststelden dat het een geheel nieuw type was. Ze gebruikten onder andere de grote dubbeltelescoop Keck, die op de top van de inactieve vulkaan Mauna Kea op Hawaï staat.
Het uiteindelijke bewijs kwam van oude opnamen die gemaakt waren door de ruimtetelescopen Hubble en Spitzer. Zij vonden de ster die uiteindelijk explodeerde als supernova SN 2018zd – en het was precies een rode superreus van het type dat volgens de theorie als EI-supernova zal eindigen.
Maar misschien waren de Chinese astronomen de telescopen vóór, want het was waarschijnlijk een EI-supernova die ze in 1054 zagen. De helderheid en de duur ervan, zoals beschreven in oude Chinese verslagen, kloppen in elk geval. In die tijd vond de explosie plaats in ons eigen sterrenstelsel op slechts 6500 lichtjaar afstand, zodat die met het blote oog te zien was.
Met de ontdekking van SN 2018zd hebben astronomen inzicht gekregen in de manier waarop middelgrote sterren sterven. Nu willen ze de zoektocht naar EI-supernova’s voortzetten om te achterhalen hoe vaak die voorkomen en hoe belangrijk ze zijn voor de samenstelling en verspreiding van elementen in het heelal.