Team van het Israëlische Weizmann Institute of Science en Amerikaanse Northwestern University wetenschappers ontdekt silicium en zwavel in supernovakern, een heldere explosie van een ster

Een artistieke weergave van het meest waarschijnlijke scenario voor SN 2021yfj. Foto Weizmann Institute of Science

Een internationaal team onder leiding van wetenschappers van het Weizmann Institute of Science en Northwestern University zegt een nooit eerder geziene kern te hebben ontdekt van een supernova, een enorme exploderende ster, die rijk is aan zware elementen zoals silicium, zwavel en argon.

De buitenste lagen van de ster werden plotseling weggestroopt en de vlammende binnenste kern – het hart van de enorme ster, SN2021yfj genaamd – werd vóór de explosie zichtbaar.

"We hebben nu bewijs dat er zwaardere elementen in sterren zitten", vertelde prof. Avishay Gal-Yam, hoofd van de groep experimentele astrofysica aan de afdeling deeltjesfysica en astrofysica van Weizmann, aan The Times of Israel. "We weten dat de zon voornamelijk waterstof bevat en we hadden de theorie dat sterren zwaardere elementen hadden. Maar dit is de eerste keer dat we bewijs hebben."

Wetenschappers van het Weizmann Instituut van Israël, van links naar rechts: Prof. Avishay Gal-Yam, Dr. Ofer Yaron en Dr. Steve Schulze van de Northwestern University. Foto Weizmann Institute of Science

Dr. Ofer Yaron, een wetenschappelijk medewerker in de groep van Gal-Yam en een vooraanstaand expert op het gebied van supernovadatabases, nam ook deel aan het onderzoek, samen met hoofdauteur Dr. Steve Schulze, een voormalig lid van Gal-Yam's team bij het Weizmann Instituut en momenteel onderzoeker aan de Northwestern University, samen met onderzoekers uit Frankrijk, Italië, China en Ierland.

De bevindingen werden woensdag gepubliceerd in Nature en stonden op de cover.

De ontdekking komt twee maanden na een verwoestende Iraanse raketaanval op Weizmann, een toonaangevend onderzoeksinstituut in Rehovot. Er vielen geen doden, maar de aanval verwoestte zo'n 45 laboratoria, waarvan sommige het volledige levenswerk van onderzoekers bevatten. De herbouw ervan zou jaren en tientallen miljoenen shekels kunnen kosten.

“Gelukkig bleef de faculteit natuurkunde gespaard”, aldus Gal-Yam.

Zware sterren kunnen tien tot honderd keer zwaarder zijn dan onze zon. Ondanks hun immense afmetingen storten ze echter binnen een fractie van een seconde in. Het felle licht dat bij de explosie vrijkomt, is echter meestal enkele weken lang te zien.

De buitenste lagen van de ster werden plotseling weggestroopt en de vlammende binnenste kern – het hart van de enorme ster, SN2021yfj genaamd – werd vóór de explosie zichtbaar.

"We hebben nu bewijs dat er zwaardere elementen in sterren zitten", vertelde prof. Avishay Gal-Yam, hoofd van de groep experimentele astrofysica aan de afdeling deeltjesfysica en astrofysica van Weizmann, aan The Times of Israel. "We weten dat de zon voornamelijk waterstof bevat en we hadden de theorie dat sterren zwaardere elementen hadden. Maar dit is de eerste keer dat we bewijs hebben."

Schulze en collega's ontdekten de flare van SN2021yfj in september 2021 met behulp van de Zwicky Transient Facility, een telescoop ten oosten van San Diego, Californië, die is uitgerust met een groothoekcamera om de hele zichtbare nachthemel te scannen. Na het bestuderen van de gegevens van de telescoop, ontdekte Schulze een extreem helder object in een stervormingsgebied op 2,2 miljard lichtjaar van de aarde.

Om meer informatie over het mysterieuze object te verkrijgen, wilden Schulze en zijn team het spectrum ervan bepalen. Ze splitsten het verspreide licht op in componentkleuren, die elk een ander element vertegenwoordigen. Door het spectrum van een supernova te analyseren, kunnen wetenschappers bepalen welke elementen aanwezig zijn in de explosie.

Schulze kon echter geen spectrum vinden. Telescopen wereldwijd waren niet beschikbaar of konden de wolken niet doordringen om een ​​duidelijk beeld te verkrijgen. Uiteindelijk leverde een collega van de Universiteit van Californië, Berkeley, de benodigde spectrumgegevens.

Kort nadat Schulze het spectrum had onderzocht, nam hij contact op met Gal-Yam, met wie hij al ongeveer tien jaar samenwerkte, aldus Gal-Yam, om "te proberen het uit te zoeken."

"Binnen een paar uur identificeerde ik silicium, zwavel en argon", zei Gal-Yam. "Het was duidelijk dat we getuige waren van iets wat nog nooit iemand eerder had gezien."

Supernova's worden veroorzaakt door verouderende, zware sterren die zichzelf letterlijk uit elkaar scheuren. Naarmate de kern van een ster onder zijn eigen zwaartekracht wordt samengedrukt, wordt hij nog heter en dichter. De extreme hitte en dichtheid wakkeren vervolgens kernfusie weer aan met zo'n ongelooflijke intensiteit dat het een krachtige energie-uitbarsting veroorzaakt die de buitenste lagen van de ster wegduwt.

Nadat de stervende ster zijn buitenste lagen had verloren, bleef er alleen een kern van zuurstof, zwavel en silicium over (heldere stip in het midden. Foto Weizmann Institute of Science

Zware sterren werpen doorgaans lagen af ​​voordat ze exploderen. Eerdere waarnemingen van "gestripte sterren" onthulden lagen van helium of koolstof en zuurstof, die bloot kwamen te liggen nadat de buitenste waterstofschil was verdwenen. Maar SN2021yfj stootte veel meer buitenste lagen uit, waardoor wetenschappers dieper in de kern van de ster konden kijken en zwaardere elementen konden detecteren.

"Deze ster verloor het grootste deel van het materiaal dat hij gedurende zijn leven had geproduceerd", zei Schulze. "Dus we konden het materiaal alleen zien ontstaan ​​in de maanden vlak voor de explosie. Er moet iets heel heftigs zijn gebeurd om dat te veroorzaken."

Het team van wetenschappers vermoedt dat de supernova beïnvloed is door een potentiële begeleidende ster, een enorme pre-supernova-uitbarsting of zelfs ongewoon sterke sterrenwinden.

"Als we in de diepten van een reuzenster kijken, begrijpen we beter waar de zware elementen vandaan komen", aldus Gal-Yam.

"Elk atoom in ons lichaam en in de wereld om ons heen is ergens in het universum ontstaan", zei hij. "Het heeft talloze transformaties ondergaan gedurende miljarden jaren voordat het zijn huidige plek bereikte, dus het traceren van zijn oorsprong en het proces dat het heeft gecreëerd, is ongelooflijk moeilijk."

Gal-Yam zei dat zijn onderzoeksgroep zich zal blijven richten op het onderzoeken hoe elementen in het heelal worden gevormd.

"Het is altijd verrassend – en zeer bevredigend – om een ​​compleet nieuw soort natuurkundig fenomeen te ontdekken", zei hij.