Dansende paren neutronensterren blijken de ultieme goudmijnen van het heelal. Daarmee is een van de grote open vragen van het universum – de afkomst van goud, zilver en uranium – althans deels beantwoord.
Trouw aan het cliché: we zijn allemaal gemaakt van sterrenstof. De atomen waar wij uit opgebouwd zijn, waaronder koolstof, stikstof en zuurstof, zijn ooit gesmeed in de withete kern van een ster. Daar vindt namelijk kernfusie plaats: onder hoge temperatuur en druk smelten atoomkernen stapsgewijs samen en vormen zwaardere elementen.
‘Zwaarder’ betekent dat hun kern meer protonen bevatten. Het aantal protonen bepaalt het soort element. Als twee waterstofatomen, ieder één proton, botsen, vormen ze een element met twee protonen: helium. Verdere botsingen veroorzaken bijvoorbeeld koolstof (6 protonen), of zuurstof (8 protonen). Enzovoorts.
Kernfusie in sterren vormt elementen tot en met ijzer (26 protonen). Bij dit proces komt energie vrij, waardoor sterren blijven branden. Het samensmelten van kernen die zwaarder zijn dan ijzer verbruikt energie, in plaats van deze vrij te geven. Zo verklaart kernfusie in sterren de herkomst van maar het lichtste kwart van alle elementen.
Waar de zwaardere elementen zoals goud, zilver en uranium vandaan komen, is al lang een van de grootste open vragen van het universum. De vondst van een dubbelstersysteem, waarover het blad Nature deze week publiceerde, werpt daar een nieuw licht op. De sterren voeren samen een dans uit die ons beter laat begrijpen hoe die zware elementen worden gemaakt.
Een merkwaardig net rondje
‘Ze draaien om elkaar heen!’, schreef een enthousiaste dr. Noel D. Richardson, onderzoeker aan de Embry-Riddle Aeronautical University in de Amerikaanse staat Arizona, aan zijn studente Clarissa Pavao als reactie op haar analyse van een berg aan astronomische data. Dit moment was de ontdekking van een bijzonder systeem van twee sterren die in merkwaardig nette rondjes om elkaar heen draaien. Het kreeg de cryptische naam CPD-29 2176.
Tekst gaat verder onder afbeelding.
De eerste ster in dit dubbelstersysteem is meer dan tien keer zo zwaar en zeker twee keer zo heet als de zon. Deze zogeheten ‘Be-ster’ draait zo snel om zijn as, dat zijn evenaar uitpuilt en omringd is door een schijf van losgerukte materie. “Als hij nog sneller zou ronddraaien, zou de ster uiteenvallen”, merkt Richardson op.
De tweede ster is stiekem al gestorven. Het is een neutronenster, de samengedrukte kern van wat ooit begon als een ster met twaalf keer de massa van onze zon. Toen de kernbrandstof in de ster opraakte, stortte die ineen onder haar eigen zwaartekracht. Neutronensterren zijn na zwarte gaten de meest compacte objecten in het universum. Een theelepel neutronenster weegt ongeveer tien keer zoveel als het opgetelde gewicht van alle mensen op aarde.
Het stiekeme neutron
Deze neutronensterren zijn de sleutel tot het maken van zwaardere elementen. “Een neutronenster is eigenlijk een grote bal van neutronen”, zegt Richardson. Neutronen zijn ongeladen deeltjes die samen met positief geladen protonen atoomkernen opmaken. Het is moeilijk om extra protonen in zware atomen te proppen vanwege de sterk afstotende positieve lading van de protonen die er al zijn. Neutronen daarentegen hebben geen elektrische lading en zijn bewapend met een truc. Ze kunnen zichzelf omtoveren naar een proton; een vorm van radioactief verval. Neutronen kunnen dus wél een ijzerkern insluipen, om naderhand te vervallen naar protonen en nieuwe, zware elementen te vormen.
Bijna al het goud en andere zware elementen in het heelal ontstaan in het explosieve einde van een intieme dans van paren neutronensterren. Deze compacte restanten van ontplofte grote sterren zijn moeilijk direct te zien, wat onderzoek naar het ontstaan van deze kosmische dansparen lastig maakt. Maar CPD-29 2176 laat ons een bijzondere tussenstap in dit proces zien. Neutronensterren in een dubbelstersysteem spiralen langzaam maar zeker naar elkaar toe, waarbij ze zwaartekrachtgolven (rimpelingen in de ruimte-tijd) uitzenden en steeds sneller ronddraaien, totdat ze elkaar raken. Dit is een ‘kilonova’, een explosie waarbij niet alleen grote hoeveelheden elektromagnetische straling vrijkomen, maar ook miljarden neutronen. Deeltjes in de omgeving worden hierdoor razendsnel volgepropt met neutronen, die binnen een fractie van een seconde vervallen naar protonen. Dergelijk kortdurend kosmische geweld produceert het merendeel van de elementen niobium (41 protonen in de kern) tot en met plutonium (94 protonen), inclusief het bekendere goud, zilver of lood.
Een blindganger die niet af wil gaan
De cirkelvormige baan van het nieuw gevonden dubbelstersysteem toont wat hieraan voorafgaat. Het tweelingsysteem moet zijn gevormd toen de exploderende ster zonder de gebruikelijke knal uitstierf, vergelijkbaar met een blindganger. Normaliter leidt de ineenstorting van een grote ster tot een explosieve supernova, waarin de buitenste lagen van de ster worden uitgeworpen met een enorme snelheid. De uitdijende schokgolf sleurt dan alles wat die tegenkomt met zich mee en licht daarbij fel op.
Richardson licht toe: “De ster was zo uitgeput, dat de explosie niet eens genoeg energie had om de baan in de meer typische elliptische vorm te schoppen die te zien is in vergelijkbare dubbelsterren”. Dergelijke ‘ultra-gestripte supernovae’ komen alleen voor bij sterren met een nabijgelegen metgezelster (of zwart gat) die de buitenste lagen van hun sterrenstof opslokt.
Tot nu toe is er maar een handjevol ultra-gestripte supernovae waargenomen. De eerste ondubbelzinnige meting van zo’n evenement werd in 2018 in het vakblad Science beschreven door een team geleid door de astronoom Kishalay De (Caltech). Zij hadden het geluk dat ze de zwakke lichtflits afkomstig van de halfhartige supernova in realtime zagen gebeuren, en in hun metingen konden bepalen dat er veel minder maar een kleine fractie van de verwachte massa werd uitgeworpen dan je bij een supernova zou verwachten. Ze concludeerden dat deze ultra-gestripte supernova de tweede ontploffende ster in het dubbelstersysteem was.
In CPD-29 2176 is één van de twee sterren door een ultra-gestripte supernova al veranderd in een neutronenster, terwijl de ander hetzelfde lot nog moet ondergaan. “We konden de complete levenscyclus van dit dubbelstersysteem achterhalen. Na verloop van tijd zal de tweede ster ook een ultra-gestripte supernova ondergaan, en wordt het een systeem van twee neutronensterren,” legt Pavao uit. “De ultra-gestripte supernova zorgt ervoor dat de twee sterren samengebonden blijven in een dubbelstersysteem,” voegt Richardson toe.
Een kans van één op tientallen miljarden
Ze hadden geluk met hun vondst, want het systeem is vrij uniek. Richardson: “Onze modellen van de evolutie van dit dubbelstersysteem vertellen ons dat we in de hele Melkweg rond 10 van zulke systemen kunnen verwachten.” Ter vergelijking: in totaal bevat de Melkweg honderden miljarden sterren.
Richardson: “Ons onderzoek baant een weg om dubbele neutronensterren te begrijpen, en daarbij ook hoe deze zware elementen produceren. We snappen nu beter hoe deze systemen ontstaan, maar bijvoorbeeld nog niet hoe vaak ze voorkomen. We schatten nu dat een op de honderd of een op de duizend supernovae ultra-gestript zijn. Dit betekent dat de twee sterren veel dichter bij elkaar blijven wanneer ze veranderen in neutronensterren, waardoor ze ook sneller met elkaar botsen in een kilonova.”
Lees ook:
Opwinding over bijzondere supernova
Een exploderende ster die vier keer aan de hemel wordt afgebeeld, kan de snelheid onthullen waarmee het heelal uitdijt.
