Hoe supernovae ontstaan: De natuurkunde achter de grootste explosies van het universum

Een supernova is de explosie aan het einde van het leven van een ster. Volgens NASA kan de explosie kortstondig miljarden keer helderder worden dan de zon, waarbij de ster in één enkel, rampzalig ereignis wordt vernietigd. Astronomen verdelen supernovae in twee grote families, gedefinieerd door verschillende fysische triggerfactoren: kerninstortingsupernovae en Type Ia (thermonucleaire) supernovae.

Kerninstorting: Wanneer een massieve ster uit brandstof raakt

Het U.S. Department of Energy legt uit dat voor het grootste deel van het leven van een ster de inwaartse zwaartekracht en uitwaartse druk van kernfusie in evenwicht zijn. Bij sterren met minstens acht keer de massa van de zon breekt dat evenwicht uiteindelijk. Als de kern zijn nucleaire brandstof uitput en afkoelt, daalt de interne druk en neemt de zwaartekracht plotseling het roer over, waardoor de ster in seconden in elkaar stort, volgens het agentschap.

NASA beschrijft hetzelfde proces in meer detail: massa blijft naar de kern stromen terwijl fusie ijzer produceert, dat niet verder kan fuseren om energie vrij te maken. Zodra de ijzerkern te massief wordt om zijn eigen gewicht te dragen, implodeert en stuikt het af, waardoor een schokgolf ontstaat. Volgens NASA verhit deze schokgolf het omringende materiaal, smelt de buitenste lagen tot nieuwe elementen en slingert het materiaal de ruimte in. Dit mechanisme produceert wat astronomen classificeren als Type II, Ib en Ic supernovae, afhankelijk van welke buitenste lagen de ster al had afgestoten voordat deze explodeerde.

Type Ia: Een thermonucleaire kettingreactie op een witte dwerg

Het tweede mechanisme heeft helemaal geen massieve ster nodig. Type Ia supernovae ontstaan in dubbelsterrenstelsels waar een witte dwerg — het dichte overblijfsel van een zon-achtige ster — een metgezel ster omcirkelt en geleidelijk materiaal uit deze trekt. Naarmate de witte dwerg aan massa wint, stijgt zijn interne temperatuur. NASA legt uit dat zodra de witte dwerg ongeveer 1,4 keer de massa van de zon overschrijdt, een drempel die bekend staat als de Chandrasekhar-limiet, de temperaturen extreem genoeg worden om een ongecontroleerde fusie van zwaardere elementen in gang te zetten, waardoor de witte dwerg explodeert. Het Department of Energy voegt eraan toe dat in sommige dubbelsterrenstelsels twee witte dwergen in plaats daarvan botsen, met hetzelfde explosieve resultaat.

Omdat de explosie wordt geactiveerd bij een consistente massalimiet, geven Type Ia supernovae elke keer een vergelijkbare hoeveelheid energie af. NASA merkt op dat astronomen ze als standaardkaarsen gebruiken: door te vergelijken hoe helder een Type Ia supernova van de aarde lijkt met zijn bekende intrinsieke helderheid, kunnen onderzoekers de afstand naar het sterrenstelsel dat het herbergt berekenen. NASA stelt ook dat Type Ia-gebeurtenissen zich in de Melkweg ongeveer eens per 500 jaar voordoen.

Wat gebeurt er na de explosie

Het overblijfsel dat overblijft hangt af van hoeveel massa de kerninstorting overleeft. NASA stelt dat als de overgebleven kern onder ongeveer drie zonnemassa's ligt, het zich stabiliseert tot een ultradichte neutronster; boven die drempel stort het verder in tot een zwart gat. Het Department of Energy beschrijft hetzelfde algemene resultaat: vooral grote sterren laten een zwart gat achter, terwijl kleinere overblijfselen een ultradichte neutronster worden.

Supernovae helpen ook bij het smeden van nieuwe chemische elementen. NASA merkt op dat fusie in de schokgolf van de explosie nieuwe elementen produceert terwijl het materiaal in de ruimte wordt uitgestoten. Bij een gerelateerd maar afzonderlijk eventi, kilonovae genoemd, die optreedt wanneer twee neutronsterren versmelten, zegt NASA dat de neutronenrijke omstandigheden atomen toestaan in zware elementen zoals goud en platina te fuseren. Het Department of Energy stelt dat een supernova ergens in het universum ongeveer elke 10 seconden plaatsvindt.

Een levend voorbeeld: SN 1987A

De duidelijkste real-world illustratie van kerninstorting komt van Supernova 1987A. Volgens het Webb-teleskoop-team van het Europees Ruimtevaartagentschap bereikt het licht van de explosie de aarde in februari 1987 vanuit de Grote Magelhaense Wolk, ongeveer 160.000 lichtjaar verderop, waardoor het de eerste supernova is die sinds 1604 met het blote oog zichtbaar was. In februari 2024 meldde het ESA dat de MIRI- en NIRSpec-instrumenten van de James Webb Space Telescope geïoniseerd argon hebben gedetecteerd — atomen waarvan vijf elektronen zijn gestript — in het centrum van het overblijfsel, een handtekening die een intensieve energiebron vereist.

Het ESA beschrijft dit als het eerste directe bewijs dat een kerninstortingssupernova een neutronster en geen zwart gat heeft geproduceerd in een geval dat astronomen vanaf het moment van explosie konden observeren, waardoor decennia van theoretische voorspellingen met echte gegevens worden bevestigd.

Kerninstorting vs. Type Ia supernovae