De steeds geavanceerdere verkenning van de ruimte heeft ons in staat gesteld een flink aantal verschijnselen waar te nemen die hier op aarde onmogelijk zouden kunnen worden nagebootst. Verschijnselen die soms spectaculair en soms destructief zijn, waaronder supernova’s. Het woord supernova werd voor het eerst gebruikt door Walter Baade en Fritz Zwicky in 1931, en is in feite de grootste explosie die de mensheid ooit heeft gezien.
Bij een van de meest catastrofale gebeurtenissen in het heelal is een massieve ster in zijn laatste levensmomenten betrokken, wanneer hij explodeert, zichzelf vernietigt en een enorme energie vrijkomt. Op dat moment wordt het hemellichaam zo helder dat het helderder schijnt dan een heel sterrenstelsel. Het licht dat door de ster als gevolg van de explosie wordt uitgestraald, duurt enkele maanden en is vergelijkbaar met het licht dat onze zon in een miljard jaar kan uitstralen.
Niet alleen dat, het genereert op de een of andere manier enkele van de meest exotische objecten, die zelfs neutronensterren, pulsars en zwarte gaten vergezellen.
Dit alles natuurlijk bij zeer hoge temperaturen, die kunnen oplopen tot maar liefst honderd miljard Kelvin.
Wat een supernova is en hoe hij ontstaat
Sommigen zouden zeggen dat een supernova de laatste hoera is van een stervende zware ster. Het gaat om sterren met een grote massa, groter dan 8 zonsmassa’s, onder bepaalde omstandigheden 10, en het is een stellaire explosie die energieker is dan een nova. Supernovae zijn zeer helder en veroorzaken een stralingsemissie die, althans voor korte perioden, die van een heel sterrenstelsel kan overtreffen.
In een tijdsinterval dat gewoonlijk varieert van enkele weken tot enkele maanden, zendt een supernova-explosie, naast de grote ‘knal’, evenveel energie uit als de zon gedurende haar gehele bestaan naar verwachting zal uitstralen. Hij bereikt dan gedurende ongeveer vijftien seconden een temperatuur van honderd miljard Kelvin, maar alleen als de ster een massa heeft die ten minste negen maal zo groot is als die van onze zon.
U zult dan begrijpen dat ons een einde te wachten staat dat veel tragischer is, en tegelijk een waar natuurspektakel, dan dat van kleine sterren. Het volstaat te zeggen dat bij dit type stellaire explosie het grootste deel van of al het materiaal waaruit de ster bestaat, wordt uitgestoten met een snelheid tot 30.000 kilometer per seconde, d.w.z. bijna 10% van de lichtsnelheid.
Terwijl de enige mogelijke kernreacties voor sterren met een lage massa die van waterstof en helium zijn, en alleen zeldzame koolstof, kunnen sterren met een hogere massa temperaturen bereiken die hoog genoeg zijn om verdere kernfusie op gang te brengen tijdens de compressieperioden die gepaard gaan met de uitputting van een van de brandstofvormen.
Een ander verschil met kleinere sterren is dat grotere sterren de inwendige elementen beter kunnen mengen, waardoor waterstof terug kan glijden naar de kern. Afgezien van de technische details, produceert dit proces nog steeds tonnen energie, en de kern wordt zeer heet. De hitte is van dien aard dat zij een sterke druk opwekt die, in een lange touwtrekkerij met de zwaartekracht, in de verschillende lagen van de stellaire structuur een hele reeks reacties gelijktijdig doet plaatsvinden.
Terwijl het helium geleidelijk wordt gefuseerd tot steeds zwaardere elementen, een proces dat bekend staat als heliumvangst, blijft de kern ineenstorten met een temperatuur die oploopt tot 600 miljoen graden Kelvin: dit is voldoende om de onvermijdelijke reactie van koolstof tot zwaardere elementen zoals zuurstof, neon, natrium en magnesium op gang te brengen.
De koolstoffusie zelf levert een geheel nieuwe energiebron op, die in staat is de ‘strijd’ tussen zwaartekracht en druk, die kenmerkend is voor deze extreem lichtgevende superreuzen met een grote straal en lage dichtheid, weer in evenwicht te brengen. Zodra de kernfusie die de zwaartekracht aankan is voltooid, implodeert de ster en is de massa te groot voor de stellaire kern om weerstand te bieden.
Er ontstaat een supernova-explosie, die zoals gezegd een van de meest gewelddadige gebeurtenissen in het binnenste heelal is. Om het nog eenvoudiger te maken, kunnen we zeggen dat wanneer een massieve ster opbrandt, hij afkoelt, waardoor de druk afneemt. De zwaartekracht wint dus en de ster stort plotseling in.
Supernovatypes
De term supernova is afgeleid van de term ‘nova’, waarmee vroeger sterren werden aangeduid die aan de hemel verschenen op plaatsen waar er eerder geen spoor van was, wat duidde op de geboorte van een ‘nieuwe’ ster. Vanwege de helderheid van deze verschijningen werd het woord benadrukt met “supernova”, ook al weten we dat het in feite om een stervende ster gaat. Tot nu toe hebben astronomen waargenomen dat er twee typen supernovae zijn, die verschillen in het mechanisme van de explosie en het type sterren waarvan de explosie afkomstig is.
Supernovae van type I zijn niet afkomstig van afzonderlijke sterren, maar van zogeheten dubbelstersystemen, d.w.z. systemen die bestaan uit twee naburige sterren die rond een gemeenschappelijk zwaartepunt draaien. De binaire systemen die een supernova van type I kunnen veroorzaken, bestaan meestal uit een witte dwerg van zuurstof en koolstof en een zogeheten begeleidende ster. Door de extreem hoge druk en dichtheid bevindt de materie waaruit de eerste bestaat zich in een toestand die wetenschappers ‘degeneraat’ noemen.
Deze toestand is alleen stabiel als de massa van de ster in kwestie onder een drempelwaarde ligt die de ‘Chandrasekar-massa’ wordt genoemd en die 1,4 keer zo groot is als de massa van de zon. Als de witte dwerg in een dubbelstersysteem zit, kan zijn zwaartekrachtsveld zo sterk zijn dat het de nabije begeleiderster ertoe dwingt haar massa aan hem over te dragen. Als gevolg daarvan begint de dwerg exponentieel te groeien tot hij de Chandrasekar-limiet overschrijdt, en trekt hij samen.
De samentrekking brengt de kernreacties op gang die we al kennen, en de vrijkomende energie is voldoende om de ster volledig te doen exploderen, die uiteenvalt en niets dan stof in de ruimte achterlaat.
Type II supernovae daarentegen zijn afkomstig van bijzonder massieve sterren, meestal ongeveer 10 keer de massa van onze zon. Zij hebben een betrekkelijk korte levensduur, niet langer dan 10 miljoen jaar, en gedurende hun hele leven heeft de splijtstof in het centrum van de ster de neiging cyclisch van het ene element op het andere over te gaan. Bij elke “transformatie” krimpt de kern door de werking van de zwaartekracht en slaagt erin de temperatuur voldoende te doen stijgen om de verbranding van het nieuwe chemische element op gang te brengen. Aangezien ijzer van nature niet verder kan fuseren om energie op te wekken, zal de inkrimping van de kern, wanneer het eenmaal aan de beurt is, niet meer te stoppen en volledig onomkeerbaar zijn.
In slechts enkele tientallen seconden krimpt de diameter van de kern van ongeveer de halve straal van de aarde tot iets meer dan 10 kilometer, en de schokgolf die daarbij ontstaat, verspreidt zich in ongeveer twee uur door de buitenste lagen van de ster. Als het de oppervlakte bereikt, explodeert de ster. Al het materiaal waaruit het buitenste deel van de ster bestaat, wordt met een snelheid van ongeveer 15.000 kilometer per seconde de ruimte in geslingerd, terwijl het residu dat achterblijft, afhankelijk van de massa, een neutronenster kan zijn, ook bekend als een pulsar, of een zwart gat.
Het belang van een stellaire explosie
Hoewel de supernova een destructief verschijnsel is, speelt zij een sleutelrol in de evolutie van het heelal, met effecten die ook hier op aarde voelbaar zijn. In de eerste plaats is gebleken dat deze daverende stellaire explosie het meest efficiënte en complete mechanisme is voor de chemische verrijking van melkwegstelsels. Niet iedereen weet dat de meeste elementen die tegenwoordig in het Melkwegstelsel, op aarde en in de mens worden aangetroffen, niet zijn ontstaan bij de geboorte van het heelal na de oerknal, maar zijn gesynthetiseerd in de sterren, inclusief de zuurstof die wij inademen!
Na de explosie van supernovae wordt het stellaire materiaal, dat rijk is aan chemische elementen, teruggestuurd naar de ruimte en verrijkt het de wolken van interstellair gas en stof waaruit later nieuwe sterren, planeten en sterrenstelsels zullen ontstaan. Niet alleen dat, maar door de energie van de explosie kunnen de reeds aanwezige elementen worden getransformeerd, waardoor alle elementen van het periodiek systeem die wij hebben leren kennen, compleet zijn geworden.
Daarnaast stimuleert de explosie van een supernova de geboorte van nieuwe sterren, voor een opwaartse spiraal die zich vertaalt in potentiële nieuwe levensvormen. Dit komt doordat de door de explosie opgewekte schokgolf zich door de interstellaire gas- en stofwolken voortplant en dichtheidsvariaties veroorzaakt. De variaties leiden tot de samentrekking van het gas en de daaropvolgende vorming van een nieuwe ster.
De kosmos heeft dus ook zijn eigen unieke levenscyclus: de dood van een ster schept de voorwaarden die nodig zijn voor het leven van andere sterren. Het hoeft dan ook niet te verbazen dat supernovae zo veel bestudeerd worden. Helaas kunnen wij niet weten wanneer en waar een supernova zal exploderen, maar astrofysici kunnen ze wel ontdekken door voortdurend een groot aantal sterrenstelsels in de gaten te houden. Er is ook veel geduld voor nodig, aangezien het aantal galactische supernova-explosies gemiddeld slechts één per 30-50 jaar bedraagt.