Supernova's als bron van zware elementen in heelal

In het populaire boek 'Cosmos' uit de jaren 80 schreef Carl Sagan over wat ons maakt: 'Alle elementen van de aarde, behalve waterstof en wat helium, zijn miljarden jaren geleden door een soort stellaire alchemie aangemaakt in sterren, waarvan sommige vandaag onopvallende witte dwergen aan de andere kant van de Melkweg. De stikstof in ons DNA, het calcium in onze tanden, het ijzer in ons bloed en de koolstof in onze appeltaarten werden gemaakt in het binnenste van instortende sterren. We zijn gemaakt van ‘sterrenstof’.”

Bij de foto: De James Webb-ruimtetelescoop. Afbeelding JWST: NASA Goddard Space Flight Center/ Artistieke impressie Adriana Manrique Gutierre

Chris Ashall, een assistent-professor astrofysica aan het Department of Physics van het Virginia Tech College of Science, wil meer weten over waar en hoe dit sterrenstof wordt gemaakt.

Onlangs begon Ashall NASA's James Webb Space Telescope te gebruiken om gegevens te verzamelen over de aanwezigheid van zware elementen in exploderende stervende sterren of supernova's. Terwijl James Webb's missiecentrum in Baltimore opdrachten doorgeeft aan de ver verwijderde telescoop om observaties te verzamelen over supernova's waarop Ashall zich richt, zal zijn team bij Virginia Tech de verzamelde gegevens bestuderen samen met meer dan 30 andere wetenschappers van over de hele wereld als onderdeel van de “Mid-Infrared Supernova Collaboration”  die Ashall leidt.

Ashall is een van de weinige wetenschappers die is geselecteerd om de telescoop te gebruiken voor twee projecten tijdens de eerste cyclus van de missie. De projecten zullen twee soorten supernova's bestuderen: type Ia supernova's, die exploderende koolstof-zuurstof witte dwergsterren beschrijven, en supernova's die instorten.

"Vrijwel alles om ons heen is afkomstig van stervende sterren," zei Ashall. “We zijn gemaakt van sterrenstof. Dat feit - waar we van gemaakt zijn - in detail bestuderen en begrijpen waar de elementen om ons heen vandaan komen is echt verbazingwekkend.”

Sterren produceren zware elementen door het proces van stellaire nucleosynthese. Terwijl sterren branden, sterven en exploderen, vinden er thermonucleaire reacties in hen plaats.

Supernova's zijn een van de plaatsen met de hoogste temperatuur en de hoogste dichtheid in het universum, zei Ashall. Het materiaal in sterren brandt en verbrandt om steeds zwaardere elementen te vormen, van waterstof tot helium, helium tot koolstof, koolstof tot zuurstof, enzovoort, helemaal door het periodiek systeem tot ijzer.

Wanneer de sterren uiteindelijk exploderen, gooien ze al dit materiaal terug het universum in met snelheden tot 30 procent van de lichtsnelheid om de volgende generatie sterren en planeten te maken. "Zo kunnen de planeet en alles om ons heen al deze zware elementen hebben", zei Ashall. "Ze werden gemaakt in stervende sterren."

Het is algemeen aanvaard dat de meeste zware elementen in het universum worden gemaakt door middel van stellaire nucleosynthese, maar Ashall wil meer weten - om bepaalde elementen te herleiden tot de variëteiten van supernova's die er zijn en om te meten op welke niveaus de sterren die elementen maken.

In zijn eerste project zal Ashall op zoek gaan naar elementen die vaak op aarde worden aangetroffen, zoals mangaan, chroom, kobalt en nikkel, en dat door de James Webb-telescoop te richten op één Ia-supernova in het bijzonder: een derde generatie witte dwerg genaamd SN2021aefx, die explodeerde een jaar geleden in het spiraalstelsel NGC1566, ook wel bekend als de Spaanse Danser.

"Een jaar nadat het is geëxplodeerd, kun je recht door het centrum van de supernova kijken", zei Ashall. "Dat is waar al deze verbranding met hoge dichtheid plaatsvindt. De nucleosynthese gebeurt in slechts een paar seconden, maar we zien het centrale gebied met hoge dichtheid een jaar na de explosie.”

Ashall zal de telescoop gebruiken om beeld- en spectroscopiegegevens te verzamelen over elementen binnen SN2021aefx. "Spectroscopie vertelt ons over verschillende elementaire lijnen in spectra," zei Ashall. "Als er een lijn is, weten we dat het element er is."

Bij de foto: Het complete optische telescoopelement van de James Webb Space Telescope te zien in een cleanroom van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, in 2017. Foto: Desiree Stover/NASA.

De nieuwe telescoop van NASA is de eerste die de gegevens verzamelt die Ashall nodig heeft. James Webb kan waarnemen in golflengteregimes die Hubble gewoon niet kon, zei Ashall.

"Hubble kon voornamelijk waarnemen in het ultraviolette, optische en een klein beetje in het nabij-infrarood, maar James Webb werd gemaakt om te observeren in het nabij-infrarood en het midden-infrarood," zei hij. "Het opent een heel nieuw golflengtevenster om astrofysica te doen."

Het tweede project van Ashall zal zich richten op het detecteren van koolmonoxide en siliciummonoxide, ook bouwstenen voor leven in het universum, in supernova's die instorten. Kern-instortingssupernova's zijn massieve stervende sterren met een massa van meer dan acht keer de massa van onze zon. De naam van de supernova komt van het soort explosie dat plaatsvindt, zei Ashall: Wanneer de massieve ster sterft, stort de ster zelf in en maakt ze een explosie die meer dan 100 miljard keer helderder wordt dan de zon.

Met behulp van de waarnemingen van de James Webb Space Telescope zal Ashall niet alleen zware elementen zoeken, maar ook onderzoeken wanneer de exploderende supernova ze heeft uitgestoten. Zijn team zal bestuderen hoe supernova's exploderen door de gegevens te koppelen aan computersimulaties van explosies.

"Als we deze lijnen meten, kunnen we de snelheden van de explosie achterhalen", zei Ashall. "Dus dan zullen we begrijpen hoe snel deze elementen het universum in worden gegooid."

Beginnend met de enkelvoudige type Ia supernova, hoopt Ashall een steekproef te bouwen van verschillende soorten supernova's om zinvolle statistieken te produceren over hun rol als elementmakers. Hij staat open voor alles wat ze zullen vinden.

"Als we die elementen niet vinden die afkomstig zijn van supernova's, moeten we opnieuw beoordelen wat we weten over hoe sterren sterven en hoe deze elementen in het universum worden vrijgegeven", zei Ashall. "Het is hoe dan ook interessant."

Vertaling: Jan Vyvey
Bron: VirginiaTech