Het klonterige restant van de supernova

In 1572 ontdekte de Deense astronoom Tycho Brahe een nieuw helder object in het sterrenbeeld Cassiopeia. Brahe toonde aan dat deze ‘nieuwe ster’ ver buiten de maan lag en dat het in het heelal, voorbij de zon en planeten, mogelijk was voor objecten om te veranderen.

Astronomen weten nu dat Tycho’s nieuwe ster helemaal niet nieuw was. Het was juist de dood van een ster in een supernova, een explosie die zo helder is dat hij het licht van een heel sterrenstelsel kan overtreffen. Deze specifieke supernova was een Type Ia. Dit gebeurt wanneer een witte dwerg materiaal van een nabijgelegen begeleidende ster trekt totdat er een gewelddadige explosie plaatsvindt. De witte dwerg is verdwenen en stuurt zijn puin de ruimte in.

Zoals met veel supernova-restanten, gloeit de Ster van Tycho zoals het vandaag bekend is helder in röntgenlicht doordat schokgolven het stellaire puin tot miljoenen graden heeft doen verhitten. NASA heeft met haar Chandra X-ray Observatory een geweldige röntgenfoto kunnen maken van veel veel supernova-restanten. En zo ook van deze SN 1572. Chandra onthult een indrukwekkend patroon van heldere bosjes en zwakkere gebieden in Tycho. Wat veroorzaakte dit struikgewas in de nasleep van deze explosie? Heeft de explosie zelf deze klonterigheid veroorzaakt of was het daarna pas gebeurd?

Dit nieuwste beeld van Tycho (gemaakt door Chandra) geeft aanwijzingen. Om de klonten in het beeld en de driedimensionale aard van Tycho te accentueren, hebben wetenschappers twee smalle reeksen röntgenenergieën geselecteerd om materiaal (silicium, rood gekleurd) te isoleren dat van de aarde af beweegt. Daarnaast heeft men materiaal geïsoleerd dat naar ons toe beweegt (ook silicium, blauw gekleurd). De andere kleuren in de afbeelding (geel, groen, blauwgroen, oranje en paars) tonen een breed scala van verschillende energieën en elementen in combinatie met verschillende bewegingsrichtingen. In dit nieuwe samengestelde beeld zijn de röntgengegevens van Chandra gecombineerd met een optisch beeld van de sterren in hetzelfde gezichtsveld uit de Digitized Sky Survey.

Door het Chandra-beeld van Tycho te vergelijken met twee verschillende computersimulaties, konden onderzoekers hun ideeën toetsen aan actuele gegevens. Een van de simulaties begon met klonterig puin van de explosie. De andere begon met glad puin van de explosie en daar ontdekte men de klonterigheid tijdens de evolutie van het supernova-restant.

Vervolgens werd er een statistische analyse gebruikt die met behulp van een techniek die met name kijkt naar het aantal en de grootte van klontjes en gaten in afbeeldingen. Door de resultaten voor de Chandra te vergelijken met die van de gesimuleerde afbeeldingen ontdekten wetenschappers dat het restant Tycho supernova sterk lijkt op een scenario waarin de klonten van de explosie zelf kwamen. Hoewel wetenschappers niet precies weten hoe het kan, is een mogelijkheid dat de explosie van de ster meerdere ontstekingspunten had, zoals dynamietstaven die tegelijkertijd op verschillende locaties exploderen.

Inzicht in de details van hoe deze sterren exploderen is belangrijk omdat het de betrouwbaarheid van het gebruik van Type Ia supernovae (de zogenaamde “standaardkaarsen”) kan verbeteren. Dit is erg belangrijk voor het bestuderen van de uitdijing van het heelal. Deze supernovae maakt ook elementen zoals ijzer en silicium, die essentieel zijn voor het leven zoals we die kennen, voor de volgende generatie sterren en planeten.

Een ander team van astronomen heeft in Japan hun eigen driedimensionale computermodellen van een overblijfsel van Type Ia supernova gebouwd, dat met de tijd verandert. Hun werk toont aan dat aanvankelijke asymmetrieën in de gesimuleerde supernova-explosie nodig zijn, zodat het model van het daaropvolgende supernova-overblijfsel sterk lijkt op het Chandra-beeld van Tycho, op dezelfde leeftijd.

Meer dan vier eeuwen nadat de Deense astronoom Tycho Brahe voor het eerst de supernova waarnam die zelfs zijn naam draagt, is het supernova-overblijfsel dat het creëerde nu een heldere bron van röntgenstraling. De supersonische expansie van de ontplofte ster produceerde een schokgolf die zich naar buiten door het omringende interstellaire gas voortbewoog en het produceerde tevens een andere, omgekeerde schokgolf die zich terug in het zich uitbreidende stellaire puin voortbewoog.

Het Chandra-beeld van Tycho onthult de dynamiek van de explosie in detail. De buitenste schok heeft een snel bewegende schaal van extreem hoge energie-elektronen (blauw) geproduceerd en de omgekeerde schok heeft het expanderende puin tot miljoenen graden (rood en groen) verwarmd. Er is bewijs uit de Chandra-gegevens dat deze schokgolven verantwoordelijk kunnen zijn voor een deel van de kosmische straling. Dat zijn dus de hoogenergetische deeltjes die de Melkweg doordringen en de aarde constant bombarderen.