Supernova's zijn enkele van de meest energetische en krachtige gebeurtenissen in het waarneembare heelal. En hoewel we weten dat supernova's verantwoordelijk zijn voor het creëren van de zware elementen die nodig zijn voor alles, van planeten tot mensen tot elektrische gereedschappen, hebben wetenschappers lang moeite gehad om de mechanica achter de plotselinge ineenstorting en daaropvolgende explosie van zware sterren te bepalen.
Dankzij NASA's NuSTAR-missie hebben we nu onze eerste solide aanwijzingen over wat er gebeurt voordat een ster 'boem' wordt.
De afbeelding hierboven toont het supernovarestant Cassiopeia A (of kortweg Cas A) met NuSTAR-gegevens in blauw en waarnemingen van de Chandra X-ray Observatory in rood, groen en geel. Het is de schokgolf die over is gebleven van de explosie van een ster die ongeveer 15 tot 25 keer zo zwaar is als onze zon meer dan 330 jaar geleden *, en hij gloeit in verschillende golflengten van licht, afhankelijk van de temperatuur en het type elementen dat aanwezig is.
Eerdere waarnemingen met Chandra onthulden röntgenstraling van uitdijende schalen en gloeidraden van heet ijzerrijk gas in Cas A, maar ze konden niet diep genoeg turen om een beter idee te krijgen van wat er in de structuur zit. Pas toen NASA's Nuclear Spectroscopic Telescope Array - dat is NuSTAR voor de kenners - zijn röntgenvisie op Cas A draaide, konden de ontbrekende puzzelstukken worden gevonden.
En ze zijn gemaakt van radioactief titanium.
Er zijn veel modellen gemaakt (met miljoenen uren aan supercomputertijd) om te proberen supernova's met ineenstorting te verklaren. Bij een van de leidende sterren wordt de ster uiteengereten door krachtige stralen die vanaf zijn polen vuren - iets dat wordt geassocieerd met nog krachtigere (maar gefocuste) gammaflitsen. Maar het leek er niet op dat jets de oorzaak waren bij Cas A, die geen elementaire resten binnen zijn jetstructuren vertoont ... en bovendien resulteerden de modellen die alleen op jets vertrouwden niet altijd in een volledige supernova.
Het blijkt dat de aanwezigheid van asymmetrische klonten radioactief titanium diep in de schalen van Cas A, onthuld in hoogenergetische röntgenstralen door NuSTAR, wijst op een verrassend ander proces dat speelt: een "klotsen" van materiaal in de stamvader ster die een schokgolf op gang brengt en uiteindelijk uit elkaar scheurt.
Bekijk een animatie van hoe dit proces plaatsvindt:
Het klotsen, dat plaatsvindt in een tijdsbestek van slechts een paar honderd milliseconden - letterlijk in een oogwenk - wordt vergeleken met kokend water op een kachel. Wanneer de bellen door het oppervlak breken, barst de stoom los.
Alleen in dit geval leidt de uitbarsting tot de waanzinnig krachtige ontploffing van een hele ster, waarbij een schokgolf van hoogenergetische deeltjes in het interstellaire medium wordt geblazen en een periodiek systeem van zware elementen in de melkweg wordt verstrooid.
In het geval van Cas A werd titanium-44 uitgeworpen, in bosjes die de vorm van de oorspronkelijke klotsende asymmetrie weergaven. NuSTAR was in staat het titanium in beeld te brengen en in kaart te brengen, dat oplicht in röntgenstraling vanwege zijn radioactiviteit (en niet omdat het wordt verwarmd door het uitzetten van schokgolven, zoals andere lichtere elementen die zichtbaar zijn voor Chandra.)
"Totdat we NuSTAR hadden, konden we niet echt in de kern van de explosie kijken", zei Caltech-astronoom Brian Grefenstette tijdens een NASA-teleconferentie op 19 februari.
"Voorheen was het moeilijk te interpreteren wat er in Cas A aan de hand was, omdat het materiaal dat we konden zien alleen gloeit in röntgenstralen wanneer het wordt opgewarmd. Nu we het radioactieve materiaal kunnen zien, dat hoe dan ook in röntgenstralen oplicht, krijgen we een completer beeld van wat er aan de hand was in de kern van de explosie. ”
- Brian Grefenstette, hoofdauteur Caltech
Oké, zo geweldig, zeg je. NASA's NuSTAR heeft de gloed van titanium gevonden in de restanten van een opgeblazen ster, Chandra zag wat ijzer, en we weten dat het een fractie van een seconde klotste en 'kookte' voordat het explodeerde. En dan?
'Nu moet je hier om geven', zei astronoom Robert Kirshner van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Supernovae maken de chemische elementen, dus als je een Amerikaanse auto kocht, was die twee jaar geleden niet in Detroit gemaakt; de ijzeratomen in dat staal werden vervaardigd in een oude supernova-explosie die vijf miljard jaar geleden plaatsvond. En NuSTAR laat zien dat het titanium dat in de vervangende heup van je oom Jack zit, ook bij die explosie is gemaakt.
"We zijn allemaal sterrenstof en NuSTAR laat ons zien waar we vandaan komen. Inclusief onze vervangende onderdelen. Dus je moet hier om geven ... en je oom Jack ook. '
En het zijn niet alleen supernova's met kerninstorting die NuSTAR zal kunnen onderzoeken. Andere soorten supernova's zullen ook onder de loep worden genomen - in het geval van SN2014J, een Type Ia die in januari in M82 werd opgemerkt, zelfs direct nadat ze zich hadden voorgedaan.
"We weten dat dit een soort witte dwergster is die tot ontploffing komt", reageerde hoofdonderzoeker Fiona Harrison van NuSTAR tijdens de teleconferentie op Space Magazine. "Dit is heel opwindend nieuws ... NuSTAR kijkt al weken naar [SN2014J] en we hopen ook iets over die explosie te kunnen zeggen."
Een van de meest waardevolle resultaten van de recente NuSTAR-bevindingen is dat er een nieuwe reeks waargenomen beperkingen wordt opgelegd aan toekomstige modellen van supernova's met kerninstorting ... die zullen helpen antwoorden - en waarschijnlijk nieuwe vragen - te geven over hoe sterren exploderen, zelfs honderden of duizenden van jaren nadat ze dat hebben gedaan.
"NuSTAR is baanbrekende wetenschap, en je moet ervan uitgaan dat wanneer je nieuwe resultaten krijgt, het evenveel vragen zal openen als je antwoordt", zei Kirshner.
NuSTAR, gelanceerd in juni 2012, is de eerste gefocuste harde röntgentelescoop die om de aarde draait en de eerste telescoop die kaarten van radioactieve elementen in supernovaresten kan produceren.
Lees hier meer over het JPL-persbericht en luister hier naar de volledige persconferentie.
* Aangezien Cas A zich op 11.000 lichtjaar van de aarde bevindt, zou de werkelijke datum van de supernova ongeveer 11.330 jaar geleden zijn. Geef of neem er een paar.
