Astrofysici hebben eindelijk een verklaring voor de gewelddadige stemmingswisselingen van enkele van de grootste, helderste en zeldzaamste sterren in het heelal.

De sterren, lichtgevende blauwe variabelen genoemd, barsten periodiek uit in oogverblindende uitbarstingen met de bijnaam 'stellaire geisers'. Deze krachtige uitbarstingen lanceren binnen enkele dagen het materiaal van hele planeten de ruimte in. De oorzaak van deze instabiliteit, echter, is decennia lang een mysterie gebleven.

Nutsvoorzieningen, nieuwe 3D-simulaties door een team van astrofysici suggereren dat turbulente beweging in de buitenste lagen van een massieve ster dichte klompen stellair materiaal creëert. Deze klonten vangen het intense licht van de ster als een zonnezeil, uitbarstend materiaal in de ruimte. Na voldoende massa overboord te hebben gegooid, de ster kalmeert totdat zijn buitenste lagen zich opnieuw vormen en de cyclus opnieuw begint, de astrofysici rapporteren online 26 september in Natuur .

Het identificeren van de oorzaak van de stellaire geisers is belangrijk omdat elke extreem massieve ster waarschijnlijk een deel van zijn leven doorbrengt als een lichtgevende blauwe variabele, zegt studie co-auteur Matteo Cantiello, een associate research scientist bij het Center for Computational Astrophysics van het Flatiron Institute in New York City.

"Deze bevinding vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in het begrijpen van het leven en de dood van de grootste sterren in het universum, " zegt Cantiello. "Deze massieve sterren, ondanks hun kleine aantal, bepalen grotendeels de evolutie van sterrenstelsels door hun stellaire winden en supernova-explosies. En als ze sterven, ze laten zwarte gaten achter."

Lichtgevende blauwe variabelen, of LBV's, zijn uiterst zeldzaam, met slechts ongeveer een dozijn gespot in en rond de Melkweg. De gigantische sterren kunnen 100 keer de massa van de zon overschrijden en naderen de theoretische limiet van hoe massieve sterren kunnen worden. LBV's zijn ook uitzonderlijk stralend:de helderste schijnen met meer dan 1 miljoen keer de helderheid van de zon. Dat licht duwt materie naar de ruimte omdat absorptie en heruitzending van een foton door een atoom resulteert in een netto naar buiten gerichte beweging.

Het touwtrekken tussen extreme zwaartekracht die materiaal naar binnen trekt en extreme helderheid die het naar buiten duwt, is verantwoordelijk voor de kenmerkende uitbarstingen van LBV's, wetenschappers geloven. De absorptie van een foton door een atoom, echter, vereist dat elektronen worden gebonden in banen rond de atoomkern. In het diepst, heetste lagen van een ster, materie gedraagt ​​zich als een plasma met elektronen los van atomen. In de koelere buitenlagen, elektronen beginnen zich weer bij hun atomen te voegen en kunnen daarom weer fotonen opnemen.

Eerder voorgestelde verklaringen voor de uitbarstingen voorspelden dat elementen zoals helium in de buitenste lagen genoeg fotonen zouden kunnen absorberen om de zwaartekracht te overwinnen en als een uitbarsting de ruimte in te vliegen. Maar eenvoudig, eendimensionale berekeningen ondersteunden deze hypothese niet:de buitenste lagen leken niet voldoende dicht om genoeg licht te vangen om de zwaartekracht te overmeesteren.

Die simpele berekeningen, echter, legde niet het volledige beeld vast van de complexe dynamiek binnen een kolossale ster. Cantiello, samen met Yan-Fei Jiang van het Kavli Institute for Theoretical Physics aan de University of California, Santa Barbara, en collega's gingen realistischer te werk. De onderzoekers maakten een gedetailleerde, driedimensionale computersimulatie van hoe materie, warmte en licht stromen en interageren binnen supergrote sterren. De betrokken berekeningen vergden meer dan 60 miljoen computerprocessoruren om op te lossen.

In de simulatie, de gemiddelde dichtheid van de buitenste lagen was te laag om materiaal te laten vliegen - precies zoals de eendimensionale berekeningen voorspelden. Echter, de nieuwe berekeningen onthulden dat convectie en vermenging in de buitenste lagen ertoe leidden dat sommige regio's dichter waren dan andere, met enkele klonten die ondoorzichtig genoeg zijn om door het licht van de ster de ruimte in te worden gelanceerd. Dergelijke uitbarstingen vinden plaats over tijdschalen variërend van dagen tot weken terwijl de ster karnt en zijn helderheid fluctueert. Het team schat dat dergelijke sterren elk jaar ongeveer 10 miljard biljoen ton materiaal kunnen afstoten, ongeveer het dubbele van de massa van de aarde.

De onderzoekers zijn van plan de nauwkeurigheid van hun simulaties te verbeteren door andere effecten op te nemen, zoals de rotatie van de ster, die het lanceren van materiaal in de ruimte gemakkelijker kan maken nabij de snel draaiende evenaar van de ster dan nabij de bijna stationaire polen. (Dit effect is de reden waarom NASA zijn raketten lanceert vanuit Florida en Californië in plaats van Maine of Alaska.)

Het verbeteren van de getrouwheid van stersimulaties is cruciaal voor het verkrijgen van astrofysische inzichten, zegt Cantiello. De overstap van eenvoudig, eendimensionale berekeningen tot volledige 3D-simulaties vereisen meer rekenkracht en complexere fysica, maar de resultaten zijn de moeite meer dan waard. "We moesten al deze fysica implementeren om te zien, met onze eigen ogen, dat dit proces - waarvan we niet verwachtten dat het belangrijk zou zijn - de sleutel zou blijken te zijn om deze gewelddadige uitbarstingen en de evolutie van deze massieve sterren te begrijpen, " hij zegt.