De grootste knal van het heelal

Een geluidsgolf die iets lager is dan de grondtoon van een stemvork veroorzaakt de explosie van zware sterren die zijn opgebrand. Zo ontstaat een supernova.

Gemiddeld om de vijftig jaar explodeert ergens in het melkwegstelsel een ster. De recentste die daadwerkelijk is gezien, vlamde in 1604 op. Zo'n supernova is de krachtigste explosie die in het heelal plaatsvindt. Een supernova ontstaat als een zware ster helemaal is opgebrand, de kern instort en de rest de ruimte in vliegt. Astronomen begrijpen vrij goed wat er tijdens zo'n explosie gebeurt, maar het ontstekingsmechanisme bleef tot nu toe duister. In computersimulaties slaagde men er maar niet in om zo'n zware ster tot ontploffing te brengen. Een groep astronomen onder leiding van Adam Burrows van de universiteit van Arizona in Tucson is nu een geheel nieuwe en verrassend eenvoudige 'ontsteker' op het spoor gekomen: geluidsgolven met een frequentie van 400 Hz. Ze beschrijven hun ontdekking in een wetenschappelijk artikel dat in april in de Astrophysical Journal in druk zal verschijnen.

De astronomen kwamen de golven op het spoor door op de computer een ster met een massa van elf maal die van de zon na te bootsen waarvan de kern instort tot een neutronenster van anderhalve zonsmassa. Bij deze simulaties werden ook de bewegingen van de kern zelf berekend, iets waartoe de andere modellen niet in staat waren. De computersimulaties laten zien dat deze kern door de schokken van de razendsnel neerstortende materie in trilling wordt gebracht. Deze trillingen zijn al na een tiende seconde zo heftig dat er geluidsgolven met een frequentie van ongeveer 400 Hertz ontstaan. De ster brengt dus een toon voort die slechts iets lager is dan de grondtoon van de meeste stemvorken (440 Hz). Terwijl de geluidsgolven buitenwaarts bewegen, gaan zij als gevolg van de afnemende dichtheid van de stermaterie over in schokgolven, die elkaar inhalen, met elkaar versmelten en de ster uit elkaar doen spatten.

Het eindstadium van een opgebrande ster hangt af van zijn beginmassa. Bij een ster die een tot enkele keren zwaarder is dan de zon krimpt de kern in tot een witte dwerg met de omvang van de aarde maar met de massa van de zon. Een supernova is het eindstadium van een ster met een massa van meer dan ruwweg vijf maal die van de zon. Bij een beginmassa van meer dan 15 zonsmassa's stort de kern waarschijnlijk in tot een zwart gat van ongeveer 3 tot 4 kilometer diameter en minstens vijf zonsmassa's zwaar. Dat bestaat niet meer uit materie, maar uit pure energie.

In het centrum van de ster van meer dan vijf zonsmassa's is in een kosmisch gesproken heel korte tijd (slechts tien tot twintig miljoen jaar) waterstof omgezet in helium, helium in koolstof, enzovoorts, tot er uiteindelijk een kern is ontstaan die geheel uit (gasvormig) ijzer bestaat. Die kern is niet meer in staat om door middel van kernfusiereacties energie te produceren, kan dus geen tegendruk meer leveren aan het gewicht van de bovenliggende lagen en implodeert. Dat laatste gebeurt ongelooflijk snel. In één seconde is de straal van de kern van vele duizenden kilometers geslonken tot nog geen twintig kilometer. Op hetzelfde moment ontstaat een bolvormige schokgolf die de rest van de ster de ruimte in blaast.

Aanvankelijk werd gedacht dat deze schokgolf ontstaat als de binnenkern aan het einde van de implosie wat 'terugveert'. Later werd een beroep gedaan op de reusachtige golf van neutrino's die de neutronenster-in-wording uitzendt. Beide mechanismen eindigden in de computer echter telkens met een sisser. Nu is ontdekt dat deze neutronenster-in-wording de gravitatie-energie van de neerstortende materie door middel van natuurlijke trillingen omzet in akoestische energie. De computersimulaties laten zien dat hierbij een energie van ongeveer 1044 watt in het spel is. Doordat deze energie vrijwel volledig door de stermaterie wordt geabsorbeerd, is dat voldoende om de ster op te blazen.

De ontdekking van Burrows en zijn collega's betekent een 'trendbreuk' in veertig jaar supernova-onderzoek en daarom is het voorbarig om meteen al te denken dat het supernovaprobleem nu geheel is opgelost. De astronomen hopen dat het akoestische mechanisme een nieuwe weg opent om de verdere details van het explosiesproces te ontrafelen. Zo moeten ook nog de rol van rotatie en magnetische velden worden bestudeerd. Ruim tien jaar geleden waarschuwde Burrows al in een artikel in de Astrophysical Journal over neutrino-verhitting dat 'het supernovaprobleem' in de afgelopen dertig jaar vele malen is opgelost, maar toch nooit voor lang.