Afbeelding tegoed: Hubble
Een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature helpt bij het oplossen van een lang mysterie over enkele van de vroegste vaste deeltjes in het heelal. In het verleden was er heet stof gevonden, maar tot nu toe was het koudere stof grotendeels onzichtbaar. Het lijkt erop dat supernova's uiterst efficiënt zijn in het produceren van stof dat later planeten, rotsen en mensen vormt.
We hebben net ontdekt dat sommige supernova's slechte gewoonten hebben - ze verdrijven enorme hoeveelheden rook, ook wel bekend als kosmisch stof. Dit lost een al lang bestaand mysterie op over de oorsprong van kosmisch stof en suggereert dat supernova's, die exploderende sterren zijn, verantwoordelijk waren voor het produceren van de allereerste vaste deeltjes in het heelal.
De hoofdverdachten
Supernovae zijn de gewelddadige explosies van sterren aan het einde van hun leven. Ze komen ongeveer elke 50 jaar voor in onze Melkweg en er zijn twee hoofdtypen - Type Ia en II. Type II zijn de explosies van zeer zware sterren met een massa van meer dan 8 keer de massa van de zon (Msun). Deze sterren zijn 'leef snel - sterf jong' en verbruiken hun waterstof- en heliumbrandstof in slechts een paar miljoen jaar, duizenden keren sneller dan de zon haar brandstof verbrandt. Wanneer de brandstoftoevoer is uitgeput, moet de ster zwaardere en zwaardere elementen verbranden totdat, wanneer het uiteindelijk niet meer kan om zichzelf in leven te houden, de binnenste delen van de ster instorten om een neutronenster of een zwart gat te vormen, en de buitenste delen worden geslingerd in de catastrofe noemen we een supernova. De enorme explosie veegt het omringende gas op tot een omhulsel dat schijnt op röntgen-, optische en radiogolflengten en schokgolven door de melkweg stuurt. Supernovae geven in één enkel moment meer energie af dan de zon gedurende haar hele leven zal produceren. Als de dichtstbijzijnde massieve ster, Betelgeuze in het sterrenbeeld Orion, supernova zou worden, zou hij (voor een korte tijd) helderder zijn dan de volle maan.
Het kosmische rookgordijn
Interstellair stof bestaat uit kleine deeltjes vast materiaal die rondzweven in de ruimte tussen de sterren - met afmetingen die typisch zijn voor sigarettenrook. Het is niet hetzelfde als het stof dat we in onze huizen opruimen, en in feite is de aarde een gigantische brok kosmisch stof! Het is verantwoordelijk voor het blokkeren van ongeveer de helft van al het licht dat wordt uitgezonden door sterren en sterrenstelsels en heeft een diepgaande invloed op ons zicht op het heelal. Deze 'stoffige' wolk heeft echter een zilveren rand, aangezien de astronomen het stof kunnen 'zien' dat het gestolen sterrenlicht uitstraalt met behulp van speciale camera's die zijn ontworpen om te werken op langere golflengten, in het infrarood (IR: 10 - 100 micron) en submillimeter ( sub-mm: 0,3 - 1 mm) deel van het elektromagnetische spectrum. Een dergelijke camera heet SCUBA en bevindt zich op de James Clerk Maxwell-telescoop op Hawaï. SCUBA is een in het VK gebouwd instrument dat lichtgolven detecteert bij golflengten van minder dan mm en stof kan zien tot waar de verste sterren en sterrenstelsels zich bevinden.
Stoffig begin
Recente waarnemingen met SCUBA hebben aangetoond dat er een enorme hoeveelheid stof bestaat in sterrenstelsels en quasars toen het heelal nog maar 1/10 van zijn huidige leeftijd was, lang voordat de aarde en het zonnestelsel zich hadden gevormd. De aanwezigheid van al dit stof in het verre heelal heeft een grote impact op wat astronomen kunnen zien met hun gigantische optische telescopen, omdat het de hoeveelheid sterrenlicht beperkt die kan ontsnappen uit een ver sterrenstelsel en gezien kan worden op aarde.
Dat er zo vroeg zoveel vaste deeltjes in het heelal waren, was een grote verrassing voor astronomen omdat ze dachten dat stof tegen het einde van hun leven voornamelijk werd gevormd in koele winden van rode reuzensterren. Aangezien het lang duurt voordat de ster dit stadium van zijn evolutie heeft bereikt (de zon zal ongeveer 9 miljard jaar duren), is er eenvoudigweg niet genoeg tijd geweest om op deze manier zoveel stof te hebben gemaakt.
'Stof is onder het kosmische tapijt geveegd - astronomen hebben het jarenlang als hinderlijk ervaren vanwege de manier waarop het het licht voor de sterren verbergt. Maar toen ontdekten we dat er stof is aan de rand van het heelal, in de vroegste sterren en sterrenstelsels, en we realiseerden ons dat we niet wisten van zelfs de basisoorsprong ervan, 'legde Dr. Dunne uit.
Supernovae maken ook grote hoeveelheden zware elementen, zoals koolstof en zuurstof, en gooien ze de interstellaire ruimte in. Dit zijn de elementen waaruit ons lichaam bestaat en aangezien het ook de elementen zijn waaruit stofdeeltjes bestaan, zijn supernova's al lang een hoofdverdachte in het mysterie van de oorsprong van kosmisch stof. Aangezien het slechts een paar miljoen jaar duurt voordat de meest massieve sterren het einde van hun leven bereiken en als supernovae exploderen, kunnen ze snel genoeg stof maken om uit te leggen wat er in het vroege heelal te zien is. Tot aan het werk van dit team waren er echter slechts kleine hoeveelheden stof gevonden in supernovae, waardoor astronomen een rookpistool achterlieten, maar geen 'rook'
Haley Morgan, een PhD-student in Cardiff, zei: ‘Als supernovae efficiënte stoffabrieken zouden zijn, zouden ze elk meer produceren dan de massa van de zon in stof.’
‘Aangezien enorme sterren in een oogwenk evolueren tot supernova's, zouden ze gemakkelijk kunnen verklaren waarom het vroege heelal zo stoffig lijkt.’, Voegde Dr. Rob Ivison van de Royal Observatory Edinburgh eraan toe.
Supernova Sleuths
Het team uit Cardiff en Edinburgh gebruikte SCUBA om te zoeken naar de uitstoot van stof in de overblijfselen van een recente supernova. Cassiopeia A is het overblijfsel van een supernova die ongeveer 320 jaar geleden plaatsvond. Het bevindt zich in het sterrenbeeld Cassiopeia, 11.000 lichtjaar van de aarde en is ongeveer 10 lichtjaar in doorsnede. Cas A is de helderste radiobron aan de hemel en wordt daarom goed bestudeerd bij vele golflengten, van optische tot röntgenstralen. De afbeeldingen hieronder tonen Cas A in de röntgenstralen, optisch, infrarood en radio. De röntgenstralen volgen het echt hete gas (10 miljoen graden Kelvin) en de andere golflengten volgen materiaal op: 10.000 graden (optisch), heet stof bij 100 K (IR) en hoogenergetische elektronen (radio).
Hoewel astronomen al decennia lang op zoek waren naar stof in supernovaresten, hadden ze instrumenten gebruikt die alleen stof konden detecteren dat vrij warm was, zoals dat in de ISO-infraroodafbeelding hierboven. SCUBA heeft hier het voordeel omdat het stof kan zien dat erg koud is en dit komt omdat het werkt op langere golflengtes van minder dan mm.
'Net zoals je een ijzeren pook alleen kunt zien gloeien als het in een vuur is geweest, kun je alleen stof zien met infraroodcamera's als het warmer is dan ongeveer 25 Kelvin, maar SCUBA kan het ook zien als het kouder is' verklaarde Dr. Steve Eales, lezer in Astrophysics aan de Cardiff University.
Koud hard bewijs
SCUBA vond een grote hoeveelheid stof in het Cas A-restant, 1-4 keer meer dan de massa van de zon! Dit is meer dan 1.000 keer meer dan voorheen. Dit betekent dat Cas A zeer efficiënt was in het creëren van stof uit de beschikbare elementen. De temperatuur van het stof is erg laag, slechts 18 Kelvin (-257 graden Celsius), en dit is de reden dat het nog nooit eerder was gezien. Hieronder staan de twee sub-mm afbeeldingen van Cas A bij 850 en 450 micron genomen met SCUBA. Je kunt zien dat het linkerbeeld een beetje lijkt op de radio hierboven, en dit komt omdat de hoogenergetische elektronen die het radiobeeld maken ook een deel van hun energie uitzenden bij iets kortere golflengten - waardoor de sub mm-emissie bij 850 micron wordt vervuild. Het middelste beeld is op 450 micron waar de vervuiling veel lager is, en dus komt de meeste emissie van koud stof. Als we de vervuiling verwijderen, krijgen we een ander beeld (rechts). Al het stof is te zien in de onderste helft van het overblijfsel en de twee sub-mm afbeeldingen lijken nu veel meer op elkaar!
850 micron zonder radiocontaminatie
'De puzzel is hoe het stof zo koud kan blijven als we weten dat er meer dan een miljoen graden gas aanwezig is door de röntgenstraling die het afgeeft', aldus prof. Mike Edmunds, hoofd van de School of Physics & Astronomy in Cardiff.
Het stof heeft ook andere eigenschappen dan het 'alledaagse' stof in de Melkweg en andere sterrenstelsels - het is beter om te 'schijnen' in de sub-mm, misschien omdat het nog erg jong en relatief ongerept is. Als alle supernova's zo efficiënt waren in het maken van stof, zouden ze de grootste stoffabrieken in de Melkweg zijn. Roken supernova's bieden een oplossing voor het mysterie van de enorme hoeveelheden stof die in het vroege heelal worden gezien.
'Deze waarnemingen geven ons een verleidelijke glimp van hoe de eerste vaste deeltjes in het heelal zijn gemaakt', zei Haley Morgan.
Oorspronkelijke bron: Cardiff University News Release
