Ontdekking van een nieuwe soort supernova verklaart middeleeuws raadsel

Historisch gezien werden supernova's ingedeeld in twee grote types: thermonucleaire en ijzerkern-instorting supernova's. 

Een thermonucleaire supernova is de ontploffing van een witte dwergster nadat die massa heeft aangetrokken van een andere ster in een binair sterrenstelsel, een dubbelster. Deze witte dwergen zijn de dichte kernen van as die overblijven nadat een lichte ster - een ster met een massa tot zo'n 8 keer die van de zon - het einde van haar leven heeft bereikt. 

Een ijzerkern-instorting supernova doet zich voor als de nucleaire brandstof van een zware ster - een ster met een massa van meer dan 10 keer de zonnemassa - opraakt en haar ijzeren kern instort, wat een zwart gat of een neutronenster oplevert.

Tussen die twee grote types van supernova's - er zijn nog veel onderverdelingen - zitten elektronenvangst supernova's. Die sterren stoppen de fusiereacties als hun kern bestaat uit zuurstof, neon en magnesium - ze zijn niet zwaar genoeg om ijzer te maken. 

De zwaartekracht probeert constant een ster in elkaar te drukken en wat de instorting van de meeste sterren verhindert, is ofwel de fusie in de kern die een tegenkracht uitoefent, ofwel, in kernen waar de fusie is stilgevallen, het feit dat je de atomen in de kern niet dichter op elkaar kunt pakken. 

Bij een elektronenvangst supernova worden een aantal van de elektronen in de kern van zuurstof-neon-magnesium in hun atoomkernen geslagen in een proces dat elektronenvangst heet. Die verwijdering van elektronen maakt dat de kern van de ster onder zijn eigen gewicht bezwijkt en instort, met een elektronenvangst supernova als gevolg. 

Als de ster iets zwaarder geweest zou zijn, zouden de elementen in haar kern gefuseerd kunnen zijn tot zwaardere elementen en zo haar leven verlengd kunnen hebben. Het gaat dus om een soort van omgekeerde Goudlokje-situatie: de ster is niet licht genoeg om te ontsnappen aan het instorten van haar kern en niet zwaar genoeg om haar leven te verlengen en later op een andere manier te sterven. 

Dat is de theorie die vanaf 1980 geformuleerd werd door Ken'ichi Nomoto van de Universiteit van Tokio en andere wetenschappers. In de loop van de jaren hebben theoretische wetenschappers voorspellingen opgesteld over waar men op zou moeten letten bij het zoeken naar elektronenvangst supernova's en hun voorlopers, de super-asymptotische reuzentak-sterren. 

De sterren zouden een grote massa moeten hebben, veel daarvan verliezen voor ze ontploffen en deze verloren massa in de buurt van de stervende ster zou een ongewone chemische samenstelling moeten hebben. Vervolgens zou de elektronenvangst supernova een zwakke explosie moeten zijn, weinig radioactieve fallout moeten geven en elementen die rijk zijn aan neutronen in haar kern moeten hebben, aangezien de elektronen in de atoomkernen gedrukt zouden zijn en van veel protonen neutronen gemaakt zouden hebben.   

Het internationale team ontdekte dat de supernova SN 2018zd veel ongewone kenmerken vertoonde, waarvan er een aantal voor de eerste keer gezien werden bij een supernova, en ging op onderzoek.

De wetenschappers werden daarbij geholpen door het feit dat de supernova relatief dichtbij plaatsgevonden had, slechts 31 miljoen lichtjaar ver in het sterrenstelsel NGC 2146. Dat liet het team toe beelden in het archief van de Hubble ruimtetelescoop te onderzoeken die genomen waren voor de ontploffing en zo de waarschijnlijke voorloper-ster op te sporen voor ze ontploft was. 

De waarnemingen van die ster kwamen overeen met die van een andere recent geïdentificeerde super-asymptotische reuzentak-ster in onze Melkweg, maar ze verschilden met modellen voor rode superreuzen, de sterren die de voorlopers zijn van normale ijzerkern-instorting supernova's.

De onderzoekers ploegden door alle gepubliceerde data over supernova's en stelden vast dat, hoewel sommige supernova's aan een aantal van de indicaties voldeden die voorspeld waren voor elektronenvangst supernova's, enkel SN 2018zd alle zes kenmerken vertoonde: een klaarblijkelijke super-asymptotische reuzentak-ster als voorloper, een groot verlies van massa voorafgaand aan de supernova, een ongewone chemische samenstelling, een zwakke ontploffing, weinig radioactiviteit en een kern die rijk is aan neutronen. 

"We begonnen met ons af te vragen 'wat is deze weirdo?' en vervolgens onderzochten we elk aspect van SN 2018zd en realiseerden we ons dat al de elementen verklaard kunnen worden in het elektronenvangst-scenario", zei Daichi Hiramatsu. 

Hiramatsu is afgestudeerd aan de University of California Santa Barbara en het Las Cumbres Observatory en hij had de leiding over de studie van SN 2018zd. Hij is ook vast lid van het Global Supernova Project, een wereldwijd team van wetenschappers die tientallen telescopen op en in een baan om de aarde gebruiken om supernova's te bestuderen. 

De nieuwe ontdekking werpt ook nieuw licht op een aantal raadsels rond de beroemdste supernova uit het verleden. In 1054 n.C. vond er in de Melkweg een supernova-explosie plaats die volgens Chinese en Japanse kronieken zo helder was dat ze overdag 23 dagen lang gezien kon worden en 's nachts gedurende bijna 2 jaar.  

Het restant dat het resultaat van die supernova is, is de Krabnevel en die is uitgebreid bestudeerd. 

De Krabnevel was tot hiertoe de beste kandidaat voor een elektronenvangst supernova, maar er bestond onzekerheid over, voor een deel omdat de ontploffing bijna 1.000 jaar geleden plaatsgevonden heeft. 

De nieuwe onderzoeksresultaten versterken nu het vertrouwen in de stelling dat de historische SN 1054 wel degelijk een elektronenvangst supernova was. 

Ze verklaren ook waarom die supernova relatief helder was in vergelijking met de modellen: zijn helderheid werd waarschijnlijk kunstmatig versterkt doordat ejecta van de supernova, de materie die door de ontploffing in de ruimte werd geslingerd, botste met materiaal dat door de voorloper-ster werd afgestoten voor de supernova, een fenomeen dat ook geobserveerd werd bij supernova SN 2018zd. 

Ken'ichi Nomoto zei dat hij opgewonden was dat zijn theorie bevestigd was. 

"Ik ben zeer tevreden dat de elektronenvangst supernova eindelijk ontdekt is, het type supernova waarvan mijn collega's en ik 40 jaar geleden voorspelden dat het bestond en dat het een verband had met de Krabnevel", zei hij. 

"Ik waardeer ten zeerste de grote inspanningen die geleverd zijn om deze waarnemingen te verkrijgen. Dit is een prachtig voorbeeld van de combinatie van waarnemingen en theorie." 

"Het was zo'n 'eureka-ogenblik' voor ons allemaal, dat we hebben kunnen bijdragen aan het invullen van een 40 jaar oud theoretisch hiaat", voegde Hiramatsu eraan toe. "En voor mij persoonlijk ook, omdat mijn carrière in de astronomie begonnen is toen ik in de schoolbibliotheek naar prachtige foto's van het universum keek, waarvan er een de iconische foto van de Krabnevel was die genomen is door de Hubble ruimtetelescoop."

"De term 'Steen van Rosetta' wordt te vaak gebruikt als analogie als we een nieuw astrofysisch object vinden", zei Andrew Howell, "maar in dit geval denk ik wel dat het passend is."

"Deze supernova helpt ons immers letterlijk bij het ontcijferen van 1.000 jaar oude verslagen van culturen over heel de wereld. En hij helpt ons een ding dat we niet volledig begrijpen, de Krabnevel, te associëren met een ander ding waarover we ongelooflijke, moderne verslagen hebben, deze supernova. Daarbij geeft de supernova ons lessen over fundamentele fysica: hoe sommige neutronensterren gevormd worden, hoe extreme sterren leven en sterven en hoe de elementen waarvan we gemaakt zijn, gevormd worden en verspreid worden doorheen het universum."

Howell is een wetenschapper bij het Las Cumbres Observatory en hoogleraar aan de University of California Santa Barbara. Hij is de leider van het Global Supernova Project en de promotor van het doctoraat van hoofdauteur Hiramatsu.  

De studie over SN 2018zd is gepubliceerd in Nature Astronomy. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de University of California Santa Barbara.