supernova

Het restant van de supernova die in 1006 werd waargenomen door voornamelijk Chinese en Arabische waarnemers.

Bewijs voor nabije supernova in sediment Indische Oceaan

7 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 3 november 2021

De gammastraling die bij supernova explosies vrijkomt is genoemd als een mogelijke oorzaak van de op een na grootste massa-extinctie in de geschiedenis van de Aarde, 450 miljoen jaar geleden. In deze tijd was het land nog nauwelijks gekoloniseerd maar (eenvoudig) zeeleven stierf massaal uit. In dit supernova scenario vernietigt de gammastraling een deel van de ozonlaag, waarna het leven getroffen wordt door een hoge dosis UV straling van de Zon. Daarnaast kan het gas van een nabije supernova explosie zelfs een deel van de aardatmosfeer wegblazen. Supernova’s zijn zeer gevaarlijk voor het leven op Aarde als ze op minder dan circa 30 lichtjaar afstand plaatsvinden.[1]

Sporen van prehistorische supernova’s

Supernova’s zijn in te delen in twee hoofdcategorieën. Ten eerste zware sterren waarvan de opgebrande kern aan het eind van hun leven instort onder de eigen zwaartekracht, waarna de buitenlagen met zeer hoge snelheid weggeblazen worden. Iets zeldzamer is een thermonucleair exploderende koolstof-zuurstof witte dwerg in een dubbelster systeem, zoals degene die in 1572 werd waargenomen in onze Melkweg. In beide gevallen laten ze een heldere uitzettende nevel achter (zie afbeelding). Deze nevels zien we alleen van recente supernova’s; na enkele tienduizenden jaren gaat de nevel op in het interstellaire gas.

Het restant van de supernova die in 1006 werd waargenomen door voornamelijk Chinese en Arabische waarnemers.
Het restant van de supernova die in 1006 werd waargenomen door voornamelijk Chinese en Arabische waarnemers. Bron: Wikimedia commons.

Ons zonnestelsel beweegt door de Lokale Bel, een `holte’ waarin het interstellaire gas een tienmaal lagere dichtheid heeft dan gemiddeld in de Melkweg. Mogelijk is deze Bel gevormd door een reeks supernova explosies gedurende de laatste 10 miljoen jaar, die het omringende gas hebben weggeblazen.

Direct bewijsmateriaal

De meeste informatie uit het heelal bereikt ons via licht en andere straling, maar daarnaast krijgen we ook bezoek van materiële boodschappers: atoomkernen en elektronen, gezamenlijk ongelukkig `kosmische straling’ genaamd. Als er vlakbij de Aarde een supernova ontploft, worden er zelfs grote hoeveelheden bijzondere isotopen op Aarde gedumpt.

In de explosie komt zoveel energie vrij dat er zware elementen gevormd worden, waarvan een deel radioactief is. Als ze voldoende langzaam vervallen en op Aarde terecht komen, zouden we deze terug moeten kunnen vinden. En inderdaad, in 1999 is dit voor het eerst gelukt, en in 2004 werd een sterk verhoogde concentratie van ijzer-60 gevonden in een 2 miljoen jaar oude laag in de aardkorst onder de Grote Oceaan.[2] Dit kan alleen maar verklaard worden door een nabije supernova van een zware ster met instortende kern, waarbij maar liefst enkele aardmassa’s aan ijzer-60 wordt geproduceerd. Naast de enorme productie is ijzer-60 een bruikbaar isotoop omdat de halfwaardetijd zo’n 2,6 miljoen jaar is,[3] dus van dezelfde orde van grootte als de leeftijd van de afzetting. De hoeveelheid ijzer-60 die gevonden is suggereert dat de supernova zo’n 100 lichtjaar ver weg plaatsvond, op redelijk veilige afstand. Niettemin is de gammastraling ervan in verband gebracht met het uitsterven van zeeleven ten tijde van het begin van het Pleistoceen (het tijdperk van de ijstijden, dat in feite nog steeds voortduurt).[4]

Een supernova kan de helderheid van een heel melkwegstelsel benaderen. Op 30 lichtjaar kan een supernova 1% van de helderheid van de Zon bereiken.
Een supernova kan de helderheid van een heel melkwegstelsel benaderen. Op 30 lichtjaar kan een supernova 1% van de helderheid van de Zon bereiken. Bron: Wikimedia commons.

Nu heeft een groep onderzoekers een veel nauwkeuriger methode bedacht die gebruik maakt van sediment afzetting op de oceaanbodem, in dit geval twee kolommen van enkele meters sediment die 40 jaar geleden al zijn gewonnen uit de bodem van de Indische Oceaan in de buurt van Australië. Door de relatief snelle aanwas is de datering van sediment ruim 1000 maal preciezer dan de datering van afzettingen in de aardkorst, die tot nu toe gebruikt werden. Naast ijzer-60 zijn ook aluminium-26, mangaan-53 en plutonium-244 te gebruiken voor extra precisie, al zit hun concentratie dicht bij het `achtergrond niveau’ veroorzaakt door andere bronnen.[5]

Moeten wij ons nu zorgen maken?

Echt gevaarlijke supernova’s, dus die binnen 30 lichtjaar van de Aarde, zijn heel zeldzaam, grofweg 1 per miljard jaar. Deze kans zou de komende tijd wat groter kunnen worden omdat ons zonnestelsel zich nu in een spiraalarm bevindt. Zware sterren zijn erg helder, en we zien dat er op dit moment geen dicht bij de Aarde staan. Betelgeuze is een supernova kandidaat maar staat op zo’n 700 lichtjaar afstand.
Het andere type supernova, witte dwergen in dubbelsterren, is een stuk verraderlijker. Het is nog niet duidelijk hoe ze precies ontstaan — een witte dwerg die massa invangt van een zon-achtige begeleider, of twee witte dwergen die naar elkaar toe spiraliseren. In het laatste geval zouden we de ontploffing mogelijk niet aan zien komen omdat witte dwergen erg klein zijn en daardoor slecht te zien.

Bronnen en noten
[1] Nick Bostrom & Milan M. Ćirković (eds., 2008) – Global Catastrophic Risks (Oxford: Oxford University Press)
[2] K. Knie et al. (2004) – Fe-60 Anomaly in a Deep-Sea Manganese Crust and Implications for a Nearby Supernova Source
[3] Ten tijde van dit onderzoek dacht men nog dat de halfwaardetijd van ijzer-60 1,5 miljoen jaar was. Verder is ook de halfwaarde tijd van beryllium-10 sindsdien bijgesteld; oorspronkelijk werd de supernova op zo’n 2,8 miljoen jaar geleden gedateerd.
[4] Katie Pennicott (2002) – Supernova link to ancient extinction
[5] Jenny Feige et al. (2012) – The Search for Supernova-produced Radionuclides in Terrestrial Deep-sea Archives

Lees ook
Supernovae en hypernovae: kosmische waterstofbommen
Kosmische catastrofe in de maak?
‘Death Star cluster bekogelde aarde met verzengende gammabundel’

Video: de dood van een ster

4 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 2 april 2018

NASA maakte op basis van NASA-opnamen van röntgensatelliet Chandra-X Ray Observatory deze korte, maar spectaculaire video met beelden van de laatste levensstadia van de enorme ster SN2006gy. Deze extreem zware ster van vele tientallen zonsmassa’s  blies in een eerste fase zijn buitenste gaslagen weg, te zien als holle schillen. In de tweede fase, er vlak na, ontploft de complete ster en vormt zich een spectaculair schokfront.

Naburige zware sterren zoals Eta Carinae en Betelgeuze staan eveneens op het punt van ontploffen.

The death of a star

Lees ook:
Wordt Betelgeuze een supernova?
Supernova en hypernova: kosmische waterstofbommen

De Trifidnevel lijkt in veel opzichten op de vermoedelijke voorouderwolk van het zonnestelsel.

Sporen voorouderster zonnestelsel ontdekt

1 reactie / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 3 november 2011

Waar komen we vandaan? `De oorsprong van het zonnestelsel is een van de fundamentele, nog onopgeloste problemen in de astrofysica. Het algemene mechanisme is al bekend: een enorme wolk gas en stof stort onder zijn eigen gewicht in. Maar wat gaf de aanzet voor deze ineenstorting?

De Trifidnevel lijkt in veel opzichten op de vermoedelijke voorouderwolk van het zonnestelsel.
De Trifidnevel lijkt in veel opzichten op de vermoedelijke voorouderwolk van het zonnestelsel.

Meteorieten bevatten sporen van vroegere sterexplosie
We hebben verschillende aanwijzingen. De interessantste ‘lead’ is de isotopenverdeling in meteorieten. In het kort: atomen zijn niet gelijk geschapen. Zo heeft koolstof-12, de ‘huis- tuin-en-keuken’-soort, een radioactief neefje met 2 extra neutronen, koolstof-14, met behulp waarvan bepaald kan worden hoe oud organisch materiaal is. Ook meteorieten bevatten overblijfselen van de atoomkernen die werden gevormd tijdens de verwoestende explosie, die de kraamkamer waaruit het zonnestelsel zich vormde schiep.

Radioactief aluminium vormde zich extreem snel
Eén van de radioactieve isotopen die zich bij een supernova vormen is aluminium-26. Deze isotoop zorgt bij het radioactieve verval voor een karakteristieke gloed. Al-26 valt in ongeveer zevenhonderdduizend jaar voor de helft uit elkaar. Erg lang duurt het dus niet voordat de verhouding tussen Al-26 en de niet-radioactieve, ‘normale’ Al-24 begint te dalen. Nu is er wat vreemds aan de hand. In sommige meteorieten, CV-chondrieten, komt abnormaal veel Al-26 voor. Iets moet dus relatief ‘korte’  tijd geleden radioactief Al-26 in de stofwolk geïnjecteerd hebben. Uit deze metingen blijkt nog iets vreemds. Alle CV-chondrieten hebben zich in een extreem korte periode gevormd – in rond de twintigduizend jaar. Welke plotselinge gebeurtenis produceerde deze aluminium-26?

Sterrenwind of supernova?
Er zijn verschillende mogelijkheden. Verschillende typen sterren stoten grote hoeveelheden Al-26 uit. Wellicht vormde ons zonnestelsel zich in de buurt van een dergelijke ster.  De meeste astrofysici geloven echter dat er vlakbij de kraamkamer van de zon een supernova plaatsvond die een schokgolf van hete gassen, waaronder Al-26, door de oernevel stuurde. Maar welk scenario klopte nu?

Supernova blijkt de oorzaak
Matthias Gritschneder van de Peking University in Beijing en zijn collega’s hebben een computersimulatie uitgevoerd van de vorming van het zonnestelsel. Hieruit blijkt duidelijk dat de supernova-hypothese het kansrijkste is. In hun nieuwe model passeert een schokgolf van hete gassen van een supernova een koude gaswolk. Niet alleen blijkt de supernova precies de juiste hoeveelheden Al-26 te produceren, ook laat de schokgolf de gaswolk instorten, waaruit het zonnestelsel ontstaat. Dit hele proces blijtk ook heel snel plaats te vinden. CV-chondrieten vormen zich volgens het model onder de achttienhonderd graden Celsius in ongeveer twintigduizend jaar. Precies de tijd die uit waarnemingen bekend is dus.

Paar losse eindjes
De simulatie is uitgevoerd in 2D en niet in 3D. Mogelijk zijn dus niet alle fysische processen juist uitgevoerd. Ook moeten andere isotoopverhoudingen worden verklaard. Het wachten is dus op nog betere simulaties. Toch is het een bemoedigend teken dat deze populairste theorie zo goed overeen lijkt te komen met de gegevens.

Bron:
Mathias Gridschneder et al., The Supernova Triggered Formation And Enrichment Of Our Solar System, ArXiv.org (2011)

‘Donkere energie onnodig’

28 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 27 oktober 2011

Fysicus Arto Annila uit Helsinki komt met een op zijn minst zeer opmerkelijk te noemen nieuwe verklaring voor de versnelde uitzetting van het heelal. We gebruikten domweg een verkeerde rekenmethode.

Diagram: expansie door supernova's De Nobelprijs natuurkunde, in oktober 2011 uitgereikt, werd toegekend voor onderzoek aan het licht van Type 1a supernova’s. Van dit type verwoestende sterexplosie is exact bekend hoeveel energie deze produceert. Aan de hand van hun helderheid kunnen astronomen zo exact bepalen hoeveel lichtjaar deze supernova’s zich van ons af bevinden.

Hoe werkt afstands- en snelheidsmeting bij sterren?
Ieder atoom en molecuul heeft karakteristieke golflengtes, waarop het energie absorbeert of juist uitstraalt. Zo komt het gele licht van natriumlampen van twee dicht bij elkaar liggende gele lijnen, waarvan de plaats in het kleurenspectrum precies bekend is. Ontdekken astronomen dat deze gele natriumlijnen in bijvoorbeeld het blauwe gebied liggen, dan weten ze dat de ster in kwestie extreem snel op ons afkomt.  Omgekeerd komt vaker voor: roodverschuiving. In dat geval beweegt de ster zich snel van ons af. Een van de grote ontdekkingen van vorige eeuw is dat het heelal uitzet. Dit weten we omdat alle sterrenstelsels zich van ons verwijderen, hoe verder weg, hoe sneller.

Uitzetting gaat steeds sneller
Rond de millenniumwisseling is iets ontdekt waar kosmologen behoorlijk mee in hun maag zitten. Het heelal zet namelijk de laatste paar miljard jaar steeds sneller uit, terwijl kosmologische theorieën nou juist voorspellen dat de uitzetting langzamer gaat. Voor de eerste paar miljard jaar van het bestaan van het heelal klopt dat ook wel aardig. De complete trukendoos van de fysica en kosmologie is uit de kast getrokken om dit te verklaren, zonder een al te overtuigend resultaat. Dit proces verloopt namelijk sneller dan alle bekende natuurkundige processen kunnen verklaren.

De meeste kosmologen geloven daarom dat er een mysterieuze kracht, donkere energie genaamd, verantwoordelijk is.

Annila: donkere energie komt door slecht wiskundig model
Voor het eerst stelt nu iemand vraagtekens bij de data van de supernova-explosies zelf. Volgens Annila verandert het licht tijdens zijn vaak miljarden jaren durende reis door de kosmos, omdat het heelal uitzet tijdens die reis. Dat rekt de fotonen uit, waardoor ze roder worden. Zie daar de roodverschuiving. Het standaard model van de Big Bang, Lambda-CDM, is een wiskundig model, maar modelleert de fysische realiteit niet waaraan fotonen die door een supernova uit worden gezonden onderhevig zijn, aldus Annila. Het model houdt geen rekening met de uitrekking van het heelal. Volgens hem is de relatie tussen helderheid en roodverschuiving daarom geen rechte lijn, maar een kromme – precies de kromme die “donkere energie” lijkt te bewijzen.

Kortom: de versnelde uitzetting is volgens Annila domweg het gevolg van een slecht wiskundig model. Als hij gelijk heeft, gaan ze dat aan de overkant van de Botnische golf uiteraard helemaal niet leuk vinden, want dan gaat het Nobelcomité behoorlijk nat.

Terug naar Maupertuis
Een bekend principe uit de optica is het principe van de Franse wiskundige Fermat: het principe van de minste tijd. Licht volgt volgens dit principe altijd het pad waarmee het het snelst reist. Dit hoeft niet altijd een rechte lijn te zijn. Als de lichtsnelheid in een materiaal tussen de lichtbron en de waarnemer lager is, zal het licht er voor een deel omheen reizen. Zo werken lenzen.

Dit principe is weer een specifieke toepassing van Pierre-Louis de Maupertuis‘ principe van de minste actie. Wiskundig kan je dit doen door er een Lagrangiaanse integraal van te nemen (ideaal, want dat is makkelijk rekenen) of Maupertuis’ oorspronkelijke formulering (weinig populair omdat het lastiger rekenen is). Ten onrechte in dit geval, stelt Annila. Want een aanname die voor Lagrangianen gebruikt wordt, namelijk dat de omgeving niet verandert, klopt niet. Immers: het heelal zet uit.

Maupertuis na drie eeuwen weer springlevend
Niet afgeschrokken door het rekenwerk, daar heb je nu verduveld handige programma’s als Maple en Mathematica voor, paste Annila Maupertuis oorspronkelijke formulering van het principe toe en berekende zo dat het licht van type 1a supernovae exact de voorspelling van Maupertuis volgde. Donkere energie blijkt dus helemaal niet nodig om dit fenomeen te begrijpen. Zie het plaatje hieronder, waarin de roodverschuivingen keurig op een lijn liggen als ze af worden gezet tegen de berekende minste actie.

Denkfout gemaakt door het zoeken van valse zekerheden
Tot slot nog een rake filosofische overweging van Annilo die we onze lezers zeker niet willen onthouden.
“Het is natuurlijk voor ons om te verlangen naar voospellingen. Als we niet de toekomst een beetje zouden kunnen voorspellen, zouden we niet kunnen overleven,” aldus  Annila. “Natuurlijke processen, zoals Maupertuis ze correct benoemd, zijn echter niet berekenbaar. Zonder een goede fysische reden hebben we afstand gedaan van Maupertuis’ formulering. De reden hiervoor was puur ons verlangen naar exacte voorspellingen die ons er toe geleid heeft de fysisch correcte Maupertuis’ formulering te verwerpen.”

Annilo’s ontdekking heeft nog veel meer gevolgen en verklaart mogelijk zelfs wat de diepere oorzaak is achter van de uitzetting van het heelal. Deze komen in het vervolgartikel aan de orde. Stay tuned.

Meer informatie:
Arto Annila. “Least-time paths of light.” Mon. Not. R. Astron. Soc. 416, 2944-2948 (2011)

Heeft een latere supernova de aarde gebombardeerd met radioactieve metalen?

3 reacties / Visionaire vragen, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 12 september 2011

De aardse korst is erg rijk aan radioactieve metalen als uranium. Vreemd, want die zijn heel zwaar en zouden dus al lang naar beneden hebben moeten zakken. Waar komen deze metalen vandaan?

Dankzij een asteroïdenbombardement is de aardkorst erg rijk aan metalen als goud en uranium. Maar waar komt die merkwaardig hoge radioactiviteit vandaan?
Dankzij een asteroïdenbombardement is de aardkorst erg rijk aan metalen als goud en uranium. Maar waar komt die merkwaardig hoge radioactiviteit vandaan?

Alle metaal in de kern van de aarde
Bij de vorming van zwaardere hemellichamen vindt een proces plaats waarbij de zwaardere delen naar de kern zakken, terwijl de lichtere delen naar boven komen drijven. Om die reden zit vrijwel alle metaal van de aarde in de nikkel-ijzer kern. Dit inclusief zwaardere metalen, die graag een legering met ijzer vormen, zoals goud. Zou al dit edelmetaal aan de oppervlakte liggen, dan was de aarde overdekt met een vier meter dikke laag goud, zilver, iridium, osmium en platina. Hoe de kern is samengesteld weten we uit fragmenten van ijzermeteorieten, de overblijfselen van de kern van een planetesimaal die miljarden jaren geleden uiteen is gespat. Deze bestaan bijna helemaal uit massief metaal: een legering van ijzer met vijf procent nikkel en een procent kobalt.

We zeiden het al eerder: metaalasteroïden zijn tot honderden kilometers grote brokken vrijwel puur metaal. De grootste metaalasteroïde, 16 Psyche, is met met dan 200 km doorsnede groot genoeg om de aardse metaalhonger voor een miljoen jaar te stillen. Wel is de planeet dan uiteraard overdekt met een dikke laag roest, dus recycling is beslist een slimmer idee.

Wolfraam wijst op inslag metaalrijke asteroïde
In september 2011 is onderzoek gedaan aan Groenlandse rotsen van 3,8 miljard jaar oud. De aarde zelf was bij het ontstaan van deze rots minder dan een miljard jaar oud. Twee wolfraam-isotopen komen hierin in een iets andere verhouding voor dan in jongere rotsen, denk aan rotsen van drie miljard jaar of jonger.  Klaarblijkelijk is er iets gebeurd in de tussentijd. Astronomen denken dat dat ‘iets’ het “late heavy bombardment” is geweest, waar vermoedelijk de inslag van een metaalasteroïde onderdeel van uitmaakte. Deze heeft de aardkorst voorzien van een zeer hoge concentratie zware metalen.

Waarom is de aardkorst zo radioactief?
We weten uit metingen aan neutrino’s, dat de aardkorst, om precies te zijn: de continentale aardkorst, de grootste bron is van het type neutrino’s dat vrijkomt bij radioactief verval. Met andere woorden: in de aardkorst zitten twee ordes van grootte (rond de honderd maal) hogere concentratie zware radioactieve metalen zoals uranium, dan in welk ander deel van de aarde ook, inclusief de kern die vrijwel geen radioactief materiaal bevat [2].

Interessant is uiteraard de vraag waarom deze meteorietfragmenten veel radioactiever waren dan de metalen die de kern van de aarde hebben gevormd. Radioactiviteit, het is bekend, neemt af met de tijd. Klaarblijkelijk is het metaal in de aarde dus eerder gevormd dan de meteorietfragmenten die op de aarde zijn neergeregend. Er zijn dus, zou je kunnen concluderen, twee verschillende bronnen van zware metalen in het zonnestelsel. De eerste bron is de oudere explosie, misschien wel daterend van vele miljarden jaren voor het ontstaan van het zonnestelsel, die de nevel schiep waaruit het zonnestelsel is ontstaan.

De tweede bron is dan van recentere datum en produceerde veel radioactief materiaal. Dit moet volgens recente inzichten om botsende neutronensterren zijn gegaan[3]. Misschien is de schokgolf hiervan de trigger geweest waarom de protosolaire nevel is gaan samentrekken. Inderdaad wijzen waarnemingen aan andere nevels er op dat botsende gaswolken voor een kritische verdichting kunnen zorgen. Misschien dat brokstukken materiaal afkomstig uit de tweede, recentere bron de leverancier zijn geweest van deze radioactieve fragmenten en het Late Heavy Bombardment in het algemeen in gang heeft gezet. Nu vermoedelijk bekend is waar zware elementen vandaan komen, is dat niet al te moeilijk om vast te stellen. We hoeven alleen de verhoudingen van bepaalde radioactieve isotopen te meten om de ouderdom van hun bron vast te stellen, bijvoorbeeld door de stokoude Groenlandse rots te vergelijken met jonge rots. De grootst denkbare whodunnit: welke gebeurtenis heeft het ontstaan van het zonnestelsel op zijn geweten?

Bronnen
1. Matthias Willbold, Tim Elliott en Stephen Moorbath, The tungsten isotopic composition of the Earth’s mantle before the terminal bombardment, Nature, 2011
2. Stephen T. Dye en Eugene H. Guillian, Estimating terrestrial uranium and thorium by antineutrino flux measurements, PNAS.org (2007)
3. Stephane Goriely et al., r-process Nucleosynthesis in Dynamically Ejected Matter of Neutron Star Mergers, Astrophysical Journal (2011), zie ook Physorg

Supernova's type 1a ontstaan omdat een (uitgebrande) witte dwergster gas van een nog niet uitgebrande begeleider-ster opslokt tot de kritische massa wordt overschreden. Deze ontploffing heeft een precies bekende hoeveelheid grootte. Daardoor kan je aan de lichtintensiteit en de roodverschuiving precies bepalen hoever het melkwegstelsel waar de supernova in voorkomt, van ons afstaat.

Bevestigd: kosmologisch principe klopt niet; Universum niet volmaakt rond

4 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 7 september 2011

Een van de fundamenten van de moderne astrofysica is het kosmologische principe: het denkbeeld dat waarnemers op aarde ongeveer hetzelfde op grote schaal waarnemen als waarnemers op andere plekken in het universum. Inderdaad zijn er veel waarnemingen die dit idee ondersteunen Zo ziet het heelal er min of meer hetzelfde uit in alle richtingen, hoe we ook kijken. Maar misschien keken we helemaal niet goed, althans: stelden we niet de juiste vragen, blijkt nu.

Supernova's type 1a ontstaan omdat een (uitgebrande) witte dwergster gas van een nog niet uitgebrande begeleider-ster opslokt tot de kritische massa wordt overschreden. Deze ontploffing heeft een precies bekende hoeveelheid grootte. Daardoor kan je aan de lichtintensiteit en de roodverschuiving precies bepalen hoever het melkwegstelsel waar de supernova in voorkomt, van ons afstaat.
Supernova's type 1a ontstaan omdat een (uitgebrande) witte dwergster gas van een nog niet uitgebrande begeleider-ster opslokt tot de kritische massa wordt overschreden. Deze ontploffing heeft een precies bekende hoeveelheid grootte. Daardoor kan je aan de lichtintensiteit en de roodverschuiving precies bepalen hoever het melkwegstelsel waar de supernova in voorkomt, van ons afstaat.

Supernova als kosmische meetkaars
De laatste jaren, nu er meer en scherpere waarnemingen binnenkomen dan ooit tevoren, komen er scheurtjes in dit beeld. Al eerder schreven we we over.  Sommige kosmologen wijzen op het gedrag van type 1a supernova’s, ontploffende witte dwergsterren (wat weer witgloeiende, uitgebrande resten van sterren zijn, zo groot als de aarde maar met de massa van een ster).

Bij nova’s lekt er een kleinere hoeveelheid waterstofgas van een buurster op een witte dwerg, tot de kritische waarde bereikt is voor kernfusie van helium en er een enorme explosie komt: de heliumflits, die de nova oplevert. Bij een supernova type 1a ontploft niet alleen de gasschil, maar de complete witte dwergster in een allesverwoestende thermonucleaire ontploffing, een waterstofbom zo groot als een kleine ster. Vergeet niet: alles wat lichter is dan ijzer kan nog fuseren en een witte dwergster bestaat uit zuurstof en magnesium. En dat gebeurt dan ook als de grens overschreden wordt. In een paar seconden. Geloof me, dan wil je echt op heel veilige afstand zitten, honderden lichtjaren tenminste. Of je moet kicken op bruine smog en regens van salpeterzuur. Deze ontploffingen zijn zo fel dat de complete ster verdampt. Gedurende enige tijd wordt de complete melkweg waar ze deel van uitmaken overstraald en zijn dus erg bruikbaar om afstandsbepalingen te doen. Gelukkig zijn deze ontploffingen nu heel zeldzaam, maar miljarden jaren geleden kwamen ze veel vaker voor.

Heelal zet onregelmatig uit
Deze verre explosies lijken niet alleen van ons af te bewegen, maar zelfs steeds sneller van elkaar af te bewegen. Het opvallende is dat deze versnelling niet in alle richtingen gelijk is, maar in sommige richtingen veel sneller gaat dan in andere. Van ons beeld van een mooi symmetrisch heelal blijft dus steeds minder over. Maar klopt de statistische analyse wel? Al eerder is bij heel veel wetenschappelijke takken van sport gebleken dat bij een grotere steekproef ‘significante’ effecten als sneeuw voor de zon verdwijnen. Denk aan het Higgsdeeltje waar steeds sporen van op zouden duiken waar achteraf niets van blijkt te kloppen. Daarom hebben Rong-Gen Cai en Zhong-Liang Tuo van het Key Laboratory of Frontiers in Theoretical Physics van de Chinese Academy of Sciences in Beijing de data van 557 supernovae door het hele universum heronderzocht en de getallen door een programma gehaald.

Nu eindelijk hard bewijs
Deze keer klopt de statistiek wel. Er is inderdaad een eenduidig resultaat. Het heelal blijkt in een bepaalde richting veel meer uit te zetten dan in andere richtingen. De uitzetting in het snelst richting in het sterrenbeeld Vulpecula (Vos) op het noordelijk halfrond. Dit komt overeen met andere analyses, waaruit al eerder bleek dat het heelal een voorkeursas heeft in de kosmische achtergrondstraling. Als het heelal in een bepaalde richting meer uitzet, zal het in die richting ‘koeler’ lijken. Kortom: het kosmologisch principe, en daarmee heel wat kosmologische  theorietjes over een symmetrisch heelal en een scalair uitzettingsveld kunnen nu op de schroothoop of moeten drastisch herzien worden.

En er komt een spannende uitdaging te liggen. Waarom heeft het Universum een uitzettingsas en hoe modelleren we dat? Een pittige klus. Wat zijn jullie ideeën?

Bronnen:
Rong-Gen Cai en Zhong-Liang Tuo, Direction Dependence Of The Acceleration In Type Ia Supernovae, ArXiv (2011)

Betelgeuze staat op ontploffen. Astronomen zijn er echter nog niet achter of dat in 2011 of pas na het jaar 100 000 is...

Wordt Betelgeuze een supernova?

11 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 29 augustus 2011

Een ster zo helder als de volle maan gedurende zeker een jaar. Dit spectaculaire vooruitzicht biedt de rode reuzenster Betelgeuze, die op ontploffen staat. De afgelopen vijftien jaar gebeurde er namelijk iets heel vreemds…

Betelgeuze: meer dan duizend keer zo groot als de zon
Sterren zijn er in allerlei groottes. De kleinste sterren waarin waterstof nog tot helium kan fuseren, rode dwergsterretjes, zijn ongeveer 0,05 zonsmassa groot en gaan zeer lang mee: duizenden miljarden jaren. Aan de andere kant van het spectrum staan de monsterachtig grote Wolf-Rayetsterren van boven de twintig zonsmassa’s, die na hooguit enkele miljoenen jaren met een vernietigende explosie ontploffen: een hypernova. Betelgeuze, de helderste ster in het sterrenbeeld Orion en daarom onder sterrenkundigen bekend als Alpha Orionis, is een ster die tien keer zo zwaar is als de zon. De ster staat op ongeveer vijfhonderd tot achthonderd lichtjaar afstand. Stond Betelgeuze op de plaats van de zon, dan zou de ster tot de omloopbaan van Jupiter reiken.  Betelgeuze is dan ook een van de weinige sterren die zo groot is dat deze in middelgrote telescopen als een schijfje te zien is. Overigens is het gas van Betelgeuze zeer ijl. De ster bevat iets meer dan tien zonsmassa’s aan gas in een zeer groot volume.

Betelgeuze staat op ontploffen. Astronomen zijn er echter nog niet achter of dat in 2011 of pas na het jaar 100 000 is...
Betelgeuze staat op ontploffen. Astronomen zijn er echter nog niet achter of dat in 2011 of pas na het jaar 100 000 is...

‘Reuzenster krimpt’
Uit astronomische waarnemingen blijkt dat Betelgeuze de laatste tien jaar tien tot vijftien procent in grootte is gekrompen. Volgens sommige astronomen gaat het hier om een periodiek verschijnsel. Andere astronomen denken dat de kernfusiereacties in de kern tijdelijk aan het stilvallen zijn tot de ster is overschakeld naar een zwaardere kernbrandstof – die veel sneller opbrandt door de hogere temperatuur. Betelgeuze is een rode reus. Dat betekent dat de waterstof al uitgeput is en de ster nu helium of een nog zwaarder element verstookt. We weten nog niet waar precies in deze cyclus Betelgeuze zich bevindt, omdat de buitenste laag, die we als enige kunnen zien, nog uit waterstof bestaat. Is dat element koolstof, zuurstof of neon, dan zou het einde wel eens snel kunnen komen. Iedere ster is een evenwicht tussen de stralingsdruk en de zwaartekracht. Valt de stralingdruk weg, dan stort de ster ineen tot er een nieuwe kernreactie op gang komt of een supernova ontstaat. Voor dit laatste is Betelgeuze zwaar genoeg.

Wat gebeurt er als Betelgeuze in een supernova verandert?
Als alle brandstof is opgestookt, begint de ster door de zwaartekracht ineen te storten. In tegenstelling tot een planeet, die ongestoord miljarden jaren zijn baantjes blijft draaien, botsen de gasdeeltjes in de ster voortdurend met elkaar en zendt de ster straling uit waardoor deze krimpt. Het gevolg is dat de ster snel ineenstort, waardoor de temperaturen extreem hoog oplopen – de vrijkomende zwaartekrachtsenergie – de buitenste lagen voor een deel in één klap opbranden en er een zware explosie ontstaat: de supernova. De felle kernreacties in de ster – er komen veel kortlevende radioactieve isotopen vrij – houden lang aan waardoor de ster gedurende een jaar zo helder is als de volle maan.

Betelgeuze kan over enkele maanden exploderen of pas over honderdduizend jaar. We weten het niet. Wel is de kans vrijwel één dat tussen nu en honderdduizend jaar in de toekomst de ster een supernova wordt. Gelukkig staat Betelgeuze ver van ons af. Had Betelgeuze dichter dan twintig lichtjaar bij ons gestaan, dan had de sterke gammastraling die dan vrijkomt, onze atmosfeer verandert in een verstikkende bruine smog van stikstofoxiden. Nu zullen we er weinig meer van merken dan een spectaculair gezicht in de nacht.

Lees ook: Kosmische catastrofe in de maak? en Supernovae en hypernovae: kosmische waterstofbommen

Bron
Betelgeuse about to blow? – Nature Blog (2009)

Eta Carinae staat op het punt van exploderen. Gelukkig bevindt deze hypernova-in-spe zich op veilige afstand en is niet op ons gericht.

Kosmische catastrofe in de maak?

5 reacties / Mensheid, Universum, Wereld, Wetenschap / Door / 4 maart 2011

We worden omringd door enkele zware sterren die op het punt staan te ontploffen als super- of zelfs hypernova. Welke sterren zijn dit en wat zijn de gevolgen voor het leven op aarde?

Hoe ontstaan nova’s, supernova’s en hypernova’s?
Dit artikel gaat dieper in op de processen achter deze kosmische explosies.

Wat gebeurt er als een nova vlak bij ons ontploft?
Een nova is een vrij kleinschalige ontploffing. Weliswaar zou er van het leven op aarde en onze oceanen en dampkring weinig overblijven als de zon in een nova verandert, maar nova’s komen alleen voor in dubbelsterren die toch al weinig barmhartig zijn voor planeten en de zon heeft geen metgezel. Stel dat een van de meest nabije dubbelsterren, Alfa Centauri A en B of Sirius A en B, die op enkele lichtjaren afstand van de aarde liggen, in een nova zou veranderen, dan zou de helderheid met factor 100.000 toenemen. De ster zou dan even helder schijnen als de volle maan. Spectaculair, maar niet echt bedreigend. Ook vertonen beide sterren niet de neiging een nova te vormen, daarvoor staan de dubbelsterren te ver van elkaar af.

Supernova’s en gammaflitsen
Een supernova is veel gevaarlijker. Volgens astronomen betekent een supernova die binnen enkele honderden lichtjaar van de aarde ontploft en een gammaflits op de aardse atmosfeer neer laat dalen een ongekende natuurramp.

Eta Carinae staat op het punt van exploderen. Gelukkig bevindt deze hypernova-in-spe zich op veilige afstand en is niet op ons gericht.
Eta Carinae staat op het punt van exploderen. Gelukkig bevindt deze hypernova-in-spe zich op veilige afstand en is niet op ons gericht.

De gammaflits vernietigt in een fractie van een seconde de beschermende ozonlaag en laat de zuurstof en stikstof in de atmosfeer met elkaar reageren tot het verstikkende bruine gas stikstofoxide, dat wanneer het met water in aanraking komt salpeterzuur vormt. Enkele onderzoekers (overigens een kleine minderheid) denken dat de grote uitstervingsgolf tussen de geologische tijdperken Ordovicium en Siluur veroorzaakt is door een super- of hypernova in de buurt. De rode reuzenster Betelgeuze (Alfa Orionis) in het sterrenbeeld Orion staat, astronomisch gesproken,  op het punt van ontploffen als supernova. Het goede nieuws:  deze enorme ster die als hij op de plaats van de zon zou staan, de aarde, Mars en zelfs de planetoïdengordel op zou slokken, staat op meer dan zeshonderd lichtjaar van de aarde. Als Betelgeuze ontploft, betekent dat dus spectaculair vuurwerk, een tweede volle maan, maar geen dodelijke gammaflits richting aarde, ook omdat Betelgeuze niet op de aarde is gericht. Wel zijn er mogelijk effecten te verwachten die lijken op een zware zonnestorm als gammastraling de aardse atmosfeer raakt.

Hypernova steriliseert groot deel Melkweg
Een hypernova is een supernova op steroïden.  De gevolgen van een hypernova zijn dus veel ernstiger. Sterren van vele tientallen zonsmassa’s of meer (het maximum is honderdtwintig zonsmassa’s, de Eddingtonlimiet, daarboven blaast de ster zichzelf uit elkaar) bereiken in hun kern zulke hoge temperaturen dat de ster in recordtijd opbrandt.  Het einde van een zeer zware ster is verwoestend: er ontstaat een neutronenster, zwart gat of, na een antimaterie-ontploffing, blijft er zelfs helemaal niets over. Kortom: daar kan je maar beter enkele duizenden lichtjaren bij uit de buurt zitten.

De dichtstbijzijnde ster die in een hypernova kan veranderen is Eta Carinae op ongeveer achtduizend lichtjaar afstand. De reuzenster is nu al behoorlijk instabiel met geregelde explosies, de laatste in 1840. Astronomen verwachten dat deze kosmische bom binnen korte tijd kan ontploffen. Ontploft Eta Carinae, dan ontstaat een vernietigende gammaflits die als hij op aarde was gericht, een hoeveelheid gammastraling, groter dan de dodelijke dosis zou afgeven en vermoedelijk weinig heel zou laten van de beschrmende ozonlaag. Het blijkt echter dat de draaias van deze ster niet op de aarde gericht is, dus we ontspringen, zo lijkt het, ook hier de dans.