Supernova

Van Wikipedia

Een plaat van de resten van Kepler's Supernova, SN 1604. (Chandra X-ray Observatory)

Een supernova is het verschijnsel waarbij een ster op spectaculaire wijze explodeert: een supernova-uitbarsting is herkenbaar aan de enorme hoeveelheid licht die erbij wordt uitgestraald. De explosie is enorm. De ster vlamt op met de kracht van honderden miljoenen tot meer dan een miljard zonnen. Supernova's ontstaan via twee mechanismen: ten eerste zijn ze het natuurlijk levenseinde van alle zware sterren (supernova's typen Ib, Ic en II); ten tweede kunnen witte dwergen [1] in nauwe dubbelsterren zich ontwikkelen tot een supernova (type Ia).

[bewerk] Kenmerken

Röntgenopname van de Krab-nevel door de Chandra X-Ray satelliet.

In het centrum is een neutronenster of pulsar aanwezig die 30 maal per seconde om zijn as draait en 30 keer per seconde radiopulsen uitzendt.

Bron: NASA/CXC/SAO

De naam "supernova" (de "super"-variant van een nova = nieuwe ster) wijst op het meest opvallende kenmerk van een supernova, zijn grote helderheidstoename. Waar de ster voorheen zo zwak was dat hij niet of nauwelijks zichtbaar was, domineert hij als supernova de hemel. Dit spectaculaire verschijnsel is vrij zeldzaam. Over de afgelopen 2000 jaar zijn er in ons eigen melkwegstelsel minder dan tien waargenomen: in de jaren 185, 386 (misschien), 393, 1006, 1054, 1181, 1572 en 1604. Er moeten er meer zijn geweest, want van sommige recente supernova's zijn in radiostraling de uitdijende restanten nog zichtbaar. Maar die werden niet door mensen gezien, bijvoorbeeld doordat de supernova aan het oog werd onttrokken door donkere gaswolken, of doordat de telescoop nog niet was uitgevonden. Geschat wordt dat er in een melkwegstelsel als het onze gemiddeld één tot drie supernova's per eeuw optreden.

Na een supernova kan er van de ster een zogenaamde neutronenster overblijven, een klein, superzwaar lichaam, of als de massa daar groot genoeg voor was, een zwart gat, een lichaam zo zwaar dat zelfs licht niet kan ontsnappen aan zijn zwaartekracht. De lagen van de ster die bij de explosie worden afgestoten, worden na enkele jaren in telescopen zichtbaar als een zich uitbreidende nevelvlek. Een voorbeeld is de Krabnevel, die ontstaan is bij een supernova in het jaar 1054.

Sterren die exploderen als supernova, zijn de bron bij uitstek van alle mogelijke chemische elementen in het heelal. Bij de hoge temperaturen die kort vóór de supernova-explosie in de ster heersen, zijn allerlei kernreacties mogelijk, waarbij zelfs elementen worden gevormd die veel zwaarder zijn dan ijzer. Supernova-explosies blazen de elementen (van de ster en de supernova) het interstellair medium in. Dit zijn de elementen die universae, sterren, planeten en alles op Aarde - inclusief wijzelf - maken. [2]

[bewerk] Helderheid

Het meest opvallende kenmerk van supernova's is hun grote helderheid: een supernova kan even helder zijn als het hele sterrenstelsel waarin hij zich bevindt. De maximale lichtsterkte van een supernova bedraagt ongeveer 10³⁶ joule/seconde (absolute magnitude –19), dat is 3 miljard maal zo helder als de zon. Deze helderheid wordt enkele weken volgehouden, waarna ze geleidelijk afneemt. Na een halfjaar is de helderheid tot ongeveer een honderdste van het maximum afgenomen (dat is nog altijd 30 miljoen maal de zon). De totale energie die vrijkomt in de vorm van straling bedraagt ongeveer 3×10⁴² joule. Dit is nog maar een fractie van de totale energie die bij de sterexplosie vrijkomt. De kinetische energie van het uitgestoten gas, dat met snelheden tot 10.000 km/s wordt weggeschoten, is nog eens dertig keer zo groot. De totaal hierbij vrijgemaakte energie, 10⁴⁴ joule, is gelijk aan de energie die de zon over een periode van 10 miljard jaar uitstraalt. Nog groter (een onvoorstelbare 3×10⁴⁶ joule) is de energie die met neutrino's de ster verlaat. Als een supernova op de plaats van de zon zou uitbarsten, zou de aarde verdampen; een supernova op de plaats van Sirius (8,7 lichtjaar) zou meer licht geven dan de volle maan.

[bewerk] Ontdekkingsgeschiedenis

Supernova's zijn pas laat door de astronomen "ontdekt". Dat komt in de eerste plaats door hun zeldzaamheid: de laatste keer dat er een supernova in ons eigen melkwegstelsel verscheen, was in 1604, nog vóór de uitvinding van de telescoop. In 1885 werd een supernova gezien in het Andromeda melkwegstelsel M31, maar pas in de jaren 1930 werd door het onderzoek van Edwin Hubble duidelijk hoe groot de afstand van M31 is, en dus hoe helder die nieuwe ster van 1885 moest zijn geweest. Pas vanaf die tijd kwam de naam supernova in gebruik.

In de jaren 1960 deed Fritz Zwicky pioniersonderzoek op het gebied van supernova's. Zo ontwierp hij een indeling in typen (zie verderop). Zijn onderzoek werd bemoeilijkt door diverse factoren. Ten eerste de zeldzaamheid van supernova's: midden jaren '60 waren er minder dan driehonderd bekend. Ten tweede stonden al die supernova's op miljoenen lichtjaren afstand, ze leken daardoor erg zwak en het was moeilijk om hun spectra duidelijk te fotograferen. Vooral over de korte fase vóórdat de supernova zijn grootste helderheid bereikte, waren er weinig gegevens. En ten derde: als er al spectra waren, zagen die er heel vreemd uit, met wazige, brede lichte en donkere banden in plaats van normale spectraallijnen.

Vanaf de jaren '70 ontstonden de eerste berekende modellen van supernova's als ontploffende sterren, en de spectra werden verklaard als het licht van snel expanderende gasschillen. Sindsdien is het waarnemend en theoretisch onderzoek spectaculair uitgebouwd. Jaarlijks worden tegenwoordig driehonderd nieuwe supernovae ontdekt.

[bewerk] Enkele historische supernovae

[bewerk] Supernova 1987A

Supernova's zijn zo helder dat de meeste die we kennen zich bevinden in andere sterrenstelsels, op miljoenen lichtjaren afstand. De meest opvallende supernova in de recente geschiedenis vond plaats in 1987 en draagt de naam SN 1987A. De ster die explodeerde bevond zich in de Grote Magelhaense Wolk op ongeveer 160 000 lichtjaar afstand. Voor het eerst had men de mogelijkheid de ster op oude foto's op te zoeken. De ster die ontplofte was waarschijnlijk Sanduleak –69°202, een blauwwitte reuzenster (middellijn 40 maal die van de zon, spectraalklasse B3, oppervlaktetemperatuur 16.000 Kelvin) die tevoren een schijnbare magnitude van 12,2 had. Op zijn maximum bereikte de supernova een helderheid van 2,9, waarmee hij op het zuidelijk halfrond met het blote oog goed te zien was. Ook zijn er neutrino's afkomstig van deze explosie gedetecteerd.

Van de 'erfenis' van deze supernova zijn foto's beschikbaar die gemaakt zijn door de Hubble ruimtetelescoop.

[bewerk] Typen Supernova's

Kenmerkende lichtkrommen van de vier meest voorkomende typen supernova's, en van de supernova's 1987A en 1961V. Te zien is dat supernova 1987A, vergeleken met "normale" type II-P supernova's, een afwijkende lichtkromme had en in het begin betrekkelijk zwak was.

Tot de jaren 1960 was bij gebrek aan duidelijke gegevens het belangrijkste criterium om supernova's te classificeren hun lichtkromme, een grafiek die aangeeft hoe de (schijnbare) helderheid varieert in de loop van de tijd. Nadeel is dat achteraf gezien deze indeling niet helemaal recht doet aan de verschillende mechanismen waardoor een ster zich tot supernova ontwikkelt: type Ib en Ic hebben in feite meer gemeen met type II dan met type Ia. Tegenwoordig wordt in de eerste plaats het optisch spectrum gebruikt om supernova's in te delen.

Op grond van lichtkromme en spectrum onderscheidt men:

• Type I supernova's. In het spectrum is waterstof afwezig. Het maximum van de helderheid duurt een maand of iets korter. Daarna neemt de helderheid heel regelmatig af: iedere 50 dagen halveert ze. Type I supernova's stralen bijna uitsluitend zichtbaar licht uit. Ze worden op basis van hun spectrum verder onderverdeeld in:
  • type Ia (het helderste en meest waargenomen type; er zijn spectraallijnen van Si⁺);
  • type Ib (helium-rijk);
  • type Ic (helium-arm); en
  • type Ipec ("peculiar", dat wil zeggen met ongebruikelijke eigenaardigheden).
• Type II supernova's. In het spectrum is waterstof zichtbaar. Type II supernova's zijn lichtzwakker dan type Ia. Ze stralen, naast zichtbaar licht, ook veel ultraviolet licht uit. Vergeleken met type I duurt het maximum wat langer en is de verdere afname onregelmatiger en trager. Groep II wordt onderverdeeld in:
  • type II-P ("Plateau": de helderheid blijft drie maanden hoog en gaat pas daarna duidelijk dalen);
  • type II-L ("Lineair", dat wil zeggen géén plateau; de helderheid daalt eerder dan bij II-P; zeldzamer);
  • type IIn (de waterstoflijnen in het spectrum hebben een aparte vorm: bovenop de gebruikelijke brede basis staat een smalle emissielijn);
  • type IIb (na drie maanden wordt helium zichtbaar en gaat het spectrum lijken op type Ib);
  • type IIpec ("peculiar", dat wil zeggen met ongebruikelijke eigenaardigheden);
  • incidenteel worden nog ander types onderscheiden, bijvoorbeeld II-S ("Subluminous", dat wil zeggen relatief zwak; een voorbeeld is 1987A).
• Supernova's met afwijkende kenmerken. In 1965 stelde Zwicky hiervoor aparte groepen voor, type III, IV en V, maar die hebben de tand des tijds niet doorstaan. Tegenwoordig worden afwijkende supernova's doorgaans geclassificeerd als Ipec of IIpec.

Type Ia supernova's worden het vaakst waargenomen, doordat ze gemiddeld vijf keer helderder zijn dan de andere typen. Als voor dit verschil in helderheid wordt gecorrigeerd, is naar schatting 20% van alle supernova's van type Ia, eveneens 20% van type Ib/c, en de resterende 60% van type II (vooral II-P en IIn).

[bewerk] Type Ia: witte dwergen

Een Type Ia supernova is de helderste soort supernova, hij straalt meer dan een miljard keer meer energie uit dan onze zon. Dit type ontstaat in nauwe dubbelstersystemen, waarin de ene ster een witte dwerg is, en de andere een rode reus. De witte dwerg kan van zijn begeleidende ster materie naar zich toetrekken. Men spreekt wel van "stellair kannibalisme": de witte dwerg slorpt de buitenste lagen van de rode reus op. Zijn massa neemt daardoor toe.

Maar er is een maximale massa die een witte dwerg kan hebben, de Chandrasekhar-limiet die ongeveer 1,2-1,4 zonsmassa bedraagt. Wanneer de massa van de witte dwerg deze limiet overschrijdt, stort door de enorme zwaartekracht de witte dwerg in enkele seconden ineen. De druk en temperatuur worden zo hoog dat er kernfusie op gang komt in de koolstof en zuurstof waaruit de witte dwerg is opgebouwd. De reactie is zo heftig dat de ster volledig explodeert. Bij de explosieve kernfusie wordt radioactief nikkel-56 gevormd, dat via kobalt-56 vervalt tot ijzer-56. Bij dat radioactieve verval komt energie vrij, die het exploderende gas verhit. Het hete gas straalt de energie weer uit in de vorm van licht: dat is het felle oplichten van een type Ia supernova. Naarmate de radioactiviteit afneemt, vermindert ook de door de supernova uitgezonden hoeveelheid licht: de radioactiviteit van kobalt-56 halveert iedere 77 dagen, en dat is bijna precies de periode waarin de helderheid van de supernova met de helft afneemt.

Een bijzonderheid aan type Ia supernova's is dat ze vrijwel altijd even lichtsterk zijn, doordat ze plaatsvinden in sterren met een vaste grootte (1,4 zonsmassa) en samenstelling (koolstof en zuurstof). Dit gecombineerd met hun sterke lichtkracht, maakt ze geschikt als hulpmiddel om de afstand van zeer ver verwijderde sterrenstelsels te kunnen bepalen. Type Ia supernova's worden bestudeerd in het Supernova Cosmology Project. Uit waarnemingen die in het kader van dit project zijn gedaan blijkt dat de uitdijing van het heelal versneld plaatsvindt.

[bewerk] Type Ib en Ic: Wolf-Rayet sterren

Type Ib en type Ic supernova's ontstaan vermoedelijk op dezelfde wijze als een type II supernova (zie onder), maar verschillen daarvan doordat er in het spectrum geen waterstof gevonden wordt. Het gaat daarom naar alle waarschijnlijkheid om Wolf-Rayet sterren, die hun waterstof al volledig verloren zijn voordat ze ontploffen. Een type Ic supernova is bovendien ook nog zijn helium verloren. Geschat wordt dat bij een type Ib-supernova ongeveer één zonsmassa wordt uitgestoten, dat is 15-25% van de massa van de ster.

[bewerk] Type II: zware sterren

Een Type II supernova is een explosie aan het einde van de levenscyclus van een zware ster, als de nucleaire brandstof is opgebruikt. Alle sterren die voldoende zwaar zijn (ongeveer acht keer de zonsmassa of meer) eindigen hun leven als supernova. Terwijl lichtere sterren, zoals de zon, aan het eind van hun leven veranderen in een witte dwerg, explodeert bij een zware ster de buitenste schil, als gevolg van een implosie van het binnenste van de ster.

[bewerk] Van waterstof tot ijzer

Ver vóór de supernova-uitbarsting is in de ster eerst waterstof via kernfusie omgezet in helium, daarna helium in koolstof en zuurstof, en vervolgens ontstonden steeds nieuwe elementen, waarbij de kern van de ster steeds compacter en heter werd. Vlak voordat de ster explodeert als supernova, bestaat zij als een ui uit schillen die van buiten naar binnen bestaan uit:

• waterstofrestanten,
• helium,
• een koolstof-zuurstof mengsel,
• neon (met zuurstof en magnesium),
• zuurstof (met silicium, zwavel, calcium),
• silicium (en zwaardere elementen, tot ijzer),
• en een kern van ijzer.

[bewerk] Implosie

In de ijzeren kern van de ster is de dichtheid zo groot (ruim 1 miljoen kg per cm³ ! ) dat de elektronen er ontaard zijn. Gasdruk of stralingsdruk zijn hier niet in staat voldoende tegendruk te leveren tegen de enorme zwaartekracht, alleen de ontaardingsdruk, een kwantummechanische spanning als gevolg van het dicht opeengeperst zijn van de elektronen, is daartoe nog in staat. Ook witte dwergsterren bestaan uit ontaarde materie, en in feite is de kern van de ster inmiddels een witte dwerg van ijzer, ingepakt in de omringende gasschillen.

Voor witte dwergen geldt: hoe groter hun massa, des te kleiner hun afmetingen. We zagen zojuist dat in de eerste uischil rond de ijzerkern silicium fuseert tot ijzer. Daardoor wordt de ijzerkern steeds zwaarder en die moet dus krimpen. De dichtheid in de kern wordt daardoor nóg groter, waardoor de kern vooralsnog in staat blijft tegendruk te geven tegen de zwaartekracht. Zodra echter de massa van de ijzerkern oploopt tot de Chandrasekhar-limiet van ca. 1,4 zonsmassa's, is een stabiele witte dwerg niet meer mogelijk en stort de sterkern in.

Bij deze implosie treden in het ijzer kernreacties op die de problemen nog verergeren. IJzer is de meest stabiele atoomkern in de natuur. Bij kernreacties tussen ijzerkernen komt daardoor niet, zoals bij alle eerdere kernreacties in de ster, energie vrij (die tegendruk zou kunnen leveren tegen de zwaartekracht), maar integendeel ze kosten energie. Bij de intense hitte die in de sterkern is opgebouwd (~10¹⁰ Kelvin) zijn de fotonen zo krachtig dat ze ijzerkernen kunnen splijten ("fotodesintegratie"); de energie in die fotonen wordt hierbij verbruikt. Tevens gaan protonen in het ijzer elektronen absorberen, waarbij neutronen worden gevormd ("neutronisatie"): ook dat kost energie. De implosie is onstuitbaar. Zodat de neutronenster ontstaat.

[bewerk] Schokgolf

Hoe deze ineenstorting leidt tot een supernova-explosie is (vanwege de extreme, complexe en snel veranderende omstandigheden) nog niet precies te berekenen, maar vermoedelijk gebeurt het volgende. De implosie van de sterkern gaat door totdat, binnen enkele milliseconden, een dichtheid wordt bereikt die even groot is als die van atoomkernen (~10¹⁸ kg/m³). Op dat moment neemt de weerstand tegen verdere compressie toe en gaat het ineengestorte binnenste van de ster zich gedragen als een keiharde bol. Meer naar buiten gelegen schillen van de ster die bezig waren naar binnen te vallen, kaatsen terug op deze keiharde bol en botsen met de sterlagen die daar weer achteraan naar binnen vallen. Er ontstaat een schokgolf, die zich naar buiten toe voortplant. Het duurt ongeveer een uur voordat deze het oppervlak van de ster bereikt.

[bewerk] Neutrino's

Mogelijk is deze schokgolf al voldoende om de ster uiteen te rijten, maar als dat niet onmiddellijk gebeurt, zijn er nog neutrino's om het werk af te maken. Bij de ineenstorting van de sterkern wordt ongeveer een tiende zonsmassa aan energie omgezet in neutrino-antineutrino paren met energieën in de orde van enkele tientallen MeV. Neutrino's hebben de eigenschap dat ze vrijwel geen wisselwerking met andere materie hebben: ze kunnen ongehinderd de ster verlaten en voeren aldus binnen enkele seconden het grootste deel van de energie uit de imploderende sterkern efficiënt af. Een klein deel van deze energierijke neutrino's wordt echter geabsorbeerd in de meer naar buiten gelegen delen van de ster en staat daar zijn energie af. De schokgolf krijgt daardoor nieuwe kracht en daardoor wordt alsnog een groot deel van de ster met enorme snelheden de ruimte ingeblazen: de supernova-explosie.

[bewerk] Uitgestoten massa

Bij een II-L supernova worden enkele zonsmassa's uitgestoten, bij een II-P supernova kan dat tien keer zoveel zijn. Doordat bij een II-L supernova de uitgestoten massa kleiner is en eerder doorzichtig wordt, neemt de totale helderheid sneller af en is er geen "plateau".

Berekend is dat bij de al genoemde supernova 1987A een ster van oorspronkelijk 19 zonsmassa's explodeerde, waarbij 13 zonsmassa's zijn uitgestoten (een flink deel hiervan was al vóór de eigenlijke supernova-uitbarsting afgestoten, als gevolg van een sterke sterrenwind). De 6 zonsmassa's die achterbleven, overschrijden de Chandrasekhar-limiet. Er kon dus geen witte dwerg ontstaan, maar de ster implodeerde tot een neutronenster of een zwart gat.

[bewerk] Andere typen supernova's

Supernova 1961V, die in 1961 verscheen in het sterrenstelsel NGC 1058, week af van de bekende patronen doordat deze ster zich ongebruikelijk traag ontwikkelde: het duurde ruim een jaar voordat hij zijn maximale helderheid bereikte (normaal is een paar dagen), en daarna bleef hij nog zes jaar zichtbaar, terwijl geen enkele andere supernova ooit langer dan twee jaar zichtbaar is gebleven. Er is wel verondersteld dat dit de explosie is geweest van een uitzonderlijk zware ster, meer dan 100 zonsmassa's. Tegenwoordig neemt men aan dat 1961V geen supernova is geweest, maar een gigantische gasuitstoting door een LBV-ster (Luminous Blue Variable).

[bewerk] Zie ook

• sterevolutie
• nova
• hypernova

[bewerk] Bronnen en nadere informatie

• Links naar tal van supernova websites
• Asiago catalogus en General Catalogue of Variable Stars (GCVS): gegevens over ruim 3000 supernovae die verschenen sinds 1054.
• David Branch, 'Supernova 1987A' en 'Supernovae' in: R.A. Meyers (red.) Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics (1989) blz. 723-752.
• David Arnett, Supernovae and Nuclosynthesis (1996).
• Kenneth R. Lang, Astrophysical Data: Planets and Stars (1991) blz. 699-730.