Chandra-afbeelding van SN1970G. Afbeelding tegoed: NASA. Klik om te vergroten.
Terwijl astronomen uitkijken over het heelal, valt één principe op in bas-reliëf boven de enorme hoeveelheid gegevens en informatie die door hun instrumenten wordt vastgelegd - het heelal is een werk in uitvoering. Van waterstofatoom tot melkwegcluster, dingen veranderen op verrassend vergelijkbare manieren. In het heelal speelt een principe van groei, rijping, dood en wedergeboorte. Nergens is dat principe vollediger belichaamd dan in de primaire lichtbronnen die we door onze instrumenten zien - de sterren.
Op 1 juni 2005 publiceerden een paar onderzoekers (Stefan Immler van NASA's Goddard Space Flight Center en K.D. Kuntz van de John Hopkins University) röntgengegevens die waren verzameld van verschillende door de ruimte gedragen instrumenten. De gegevens laten zien hoe een massieve ster die in een nabijgelegen sterrenstelsel (M101) passeert, ons kan helpen de relatief korte periode tussen de dood van een ster en de transformatie van de lichtgevende krans van gas in een supernovarest te begrijpen. Die ster - supernova SN 1970G - heeft nu zo'n 35 jaar van een zichtbaar 'hiernamaals' meegemaakt in de vorm van een snel draaiende neutronenkern in een uitgestrekte circumstellaire aura van gas en stof (de CSM of circumstellaire materie). Zelfs nu (vanuit onze perceptie) racen zware metalen naar buiten met een snelheid van duizenden kilometers per seconde - mogelijk planten van organisch materiaal binnen het Interstellaire Medium (ISM) van een 27 miljoen lichtjaar ver sterrenstelsel - een die gemakkelijk zichtbaar is in de kleinste van instrumenten in het voorjaarsconstellatie Ursa Majoris. Pas wanneer de energie in die materie de ISM bereikt, zal 1970G zijn cyclus van geboorte en potentiële wedergeboorte hebben voltooid om vorm te krijgen in nieuwe sterren en planeten.
De bestemming van een ster wordt voornamelijk bepaald door zijn massa. De meest massieve sterren (maar liefst 150 zonnen) overleven slechts 50.000 jaar en condenseren uit enorme concentraties koud gas en stof om uiteindelijk een zeer snel leven te leiden. In de jeugd jubelen zulke sterren als schitterende blauwe reuzen die bijna ultraviolet licht uitstralen vanuit een fotosfeer waarvan de temperatuur vijf keer hoger kan zijn dan die van onze eigen zon. In dergelijke sterren hopen zich snel kernovens op die enorme hoeveelheden extreem intense straling afgeven. Druk van deze straling stuwt de buitenste mantel van de ster vele malen naar buiten, zelfs als een huilende storm van sterk geladen deeltjes van het oppervlak kookt om de CSM-sterren te worden. Door de druk die wordt uitgeoefend door de snel expanderende kern, raakt de kernmotor van zo'n ster uiteindelijk uitgehongerd voor brandstof. De daaropvolgende ineenstorting wordt gekenmerkt door een schitterende lichtshow - eentje die mogelijk een heel sterrenstelsel kan overtreffen. Bij magnitude 12.1 werd type II supernova 1970G nooit helder genoeg om zijn 8e magnitude-host te overwinnen. Maar gedurende ongeveer 30.000 jaar voorafgaand aan de uitbloeiing, kookte 1970G grote hoeveelheden waterstof en heliumgas in de vorm van een krachtige zonnewind. Later kreeg diezelfde doorschijnende aura van materie de dupe van de uitbarsting van 1970G en schokte het tot röntgenopwinding. En het is die periode van uitdijende schokgolven die de energiesignatuur of "flux" van 1970G de afgelopen 35 jaar van observatie heeft gedomineerd.
Volgens een artikel getiteld "Discovery of X-Ray Emission from Supernova 1970G with Chandra" rapporteren Immler en Kuntz dat, "SN 1970G, als oudste SN gedetecteerd in röntgenstralen, voor het eerst directe observatie van de overgang van een SN naar zijn supernova restant (SNR) fase. ”
Hoewel het rapport röntgengegevens van verschillende röntgensatellieten noemt, komt het grootste deel van de informatie uit een reeks van vijf sessies met behulp van de NASA's Chandra X-Ray Observatory in de periode van 5-11 juli 2004. Tijdens die sessies werden in totaal bijna 40 uur aan zachte röntgenfoto's verzameld. Dankzij de superieure ruimtelijke resolutie van Chandra en de gevoeligheid verkregen door langetermijnwaarneming konden astronomen de röntgenlichtcurve van de supernova volledig oplossen van die van een nabijgelegen HII-gebied binnen de melkweg - een gebied dat helder genoeg is in zichtbaar licht om te zijn opgenomen in JLE Dreyer's New Algemene catalogus samengesteld aan het einde van de 19e eeuw - NGC 5455.
Resultaten hiervan - en een handvol andere waarnemingen van supernova-nagloeiing met NASA's Chandra en ESA's XMM-Newton - hebben een van de toonaangevende theorieën over röntgenlichtcurven na supernova bevestigd. Uit de paper: “hoogwaardige röntgenspectra hebben de validiteit bevestigd van de circumstellaire interactiemodellen die een harde spectrale component voorspellen voor de voorwaartse schokemissie tijdens het vroege tijdperk (minder dan 100 dagen) en een zachte thermische component voor de omgekeerde schokemissie nadat de expanderende schaal optisch dun is geworden. "
Tienduizenden jaren voordat hij supernova werd, kookte de ster die SN 1970G werd stilletjes materie de ruimte in. Hierdoor ontstond een uitgestrekte extrastellaire aura van waterstof en helium in de vorm van een CSM. Toen het supernova werd, schoot een enorme stroom hete materie de ruimte in toen de mantel van SN 1970G terugkaatste na in te storten op zijn oververhitte kern. Gedurende ongeveer 100 dagen bleef de dichtheid van deze materie buitengewoon hoog en - terwijl het in de CSM sloeg - domineerden harde röntgenstralen de output van de novale flux. Deze harde röntgenstralen bevatten tien tot twintig keer zoveel energie als de volgende.
Later, toen deze zeer bekrachtigde materie zich voldoende uitbreidde om optisch transparant te worden, werd er een nieuwe periode onder toezicht gehouden. Röntgenflux van de CSM zelf veroorzaakte een omgekeerde stroom van energiezuinige "zachte" röntgenstralen. Die periode duurt naar verwachting totdat de CSM zich uitbreidt tot het punt van samensmelting met Interstellar Matter (de ISM). Op dat moment zal het supernovarestant zich vormen en thermische energie binnen de CSM zal de ISM zelf ioniseren. Hieruit komt de karakteristieke "blauwgroene" gloed tevoorschijn die zichtbaar is in supernova-overblijfselen zoals de Cygnus Loop, gezien door zelfs bescheiden amateurinstrumenten en geschikte filters.
Is SN 1970G al geëvolueerd tot een supernova-overblijfsel?
Een belangrijke aanwijzing voor het oplossen van deze vraag is te zien in het massaverlies van de supernova vóór de uitbarsting. Immler en Kuntz: “Het gemeten massaverlies voor SN 1970G is vergelijkbaar met dat voor andere Type II SNe, die doorgaans variëren van 10-5 tot 10-4 zonnemassa's per jaar. Dit is een aanwijzing dat de röntgenstraling afkomstig is van door een schok verwarmde CSM die door de stamvader is afgezet in plaats van door een schok verwarmde ISM, zelfs in dit late tijdperk na de uitbarsting. ”
Stefan Immler: “Supernovae verdwijnt gewoonlijk snel in de nabije nasleep van hun explosie wanneer de schokgolf de buitenste grenzen van de stellaire wind bereikt, die dunner en dunner wordt. Een paar honderd jaar later komt de schok echter in het interstellaire medium terecht en veroorzaakt overvloedige röntgenstraling door de hoge dichtheid van de ISM. Metingen van de dichtheden aan het schokfront van 1970G toonden aan dat ze kenmerkend zijn voor sterrenwinden, die meer dan een orde van grootte kleiner zijn dan de dichtheden van de ISM. ”
Vanwege het lage niveau van röntgenuitvoer, hebben de auteurs geconcludeerd dat 1970G de supernova-restfase nog niet heeft bereikt - zelfs op een leeftijd van 35 jaar na de explosie. Op basis van studies die verband houden met supernovaresten zoals de Cygnus-lus, weten we dat als restanten eenmaal zijn gevormd, ze tienduizenden jaren kunnen blijven bestaan omdat oververhitte materie samensmelt met de ISM. Later, nadat de door shock verwarmde ISM eindelijk is afgekoeld, kunnen nieuwe sterren en planeten worden verrijkt met zware atomen zoals koolstof, zuurstof en stikstof, samen met nog zwaardere elementen (zoals ijzer) die worden geproduceerd tijdens het korte moment van de daadwerkelijke supernova explosie - het spul van het leven.
Het is duidelijk dat SN 1970G ons nog veel meer te leren heeft over het hiernamaals van massieve sterren en de opmars naar de status van supernova-restanten zal tot ver in de toekomst nauwlettend in de gaten worden gehouden.
Geschreven door Jeff Barbour
