Sterren die exploderen als supernova's zijn de belangrijkste bronnen van zware chemische elementen in het heelal. Vooral, radioactieve atoomkernen worden gesynthetiseerd in de hete, binnenste gebieden tijdens de explosie en kunnen dus dienen als sondes van de niet-waarneembare fysieke processen die de explosie initiëren. Met behulp van uitgebreide computersimulaties, een team van onderzoekers van het Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) en RIKEN in Japan konden de recent gemeten ruimtelijke verdelingen van radioactief titanium en nikkel in Cassiopeia A verklaren, een ongeveer 340 jaar oud gasvormig overblijfsel van een nabijgelegen supernova. De computermodellen bieden sterke ondersteuning voor het theoretische idee dat dergelijke sterdoodgebeurtenissen kunnen worden geïnitieerd en aangedreven door neutrino's die ontsnappen uit de neutronenster die is achtergelaten bij de oorsprong van de explosie.

Massieve sterren eindigen hun leven in gigantische explosies, zogenaamde supernova's. Binnen miljoenen jaren van stabiele evolutie, deze sterren hebben een centrale kern opgebouwd die voornamelijk uit ijzer bestaat. Wanneer de kern ongeveer 1,5 keer de massa van de zon bereikt, het bezwijkt onder invloed van zijn eigen zwaartekracht en vormt een neutronenster. Bij deze catastrofale gebeurtenis komen enorme hoeveelheden energie vrij, voornamelijk door de emissie van neutrino's. Deze bijna massaloze elementaire deeltjes worden overvloedig geproduceerd in het binnenste van de pasgeboren neutronenster, waar de dichtheid hoger is dan in atoomkernen en de temperatuur 500 miljard graden Kelvin kan bereiken.

De fysieke processen die de explosie veroorzaken en aandrijven, zijn al meer dan 50 jaar een onopgeloste puzzel. Een van de voorgestelde theoretische mechanismen roept de neutrino's op, omdat ze meer dan honderd keer de energie transporteren die nodig is voor een typische supernova. Terwijl de neutrino's uit het hete binnenste van de neutronenster lekken, een klein deel daarvan wordt geabsorbeerd in het omringende gas. Deze verwarming veroorzaakt gewelddadige bewegingen van het gas, vergelijkbaar met die in een pan met kokend water. Wanneer het borrelen van het gas voldoende krachtig wordt, de supernova-explosie begint alsof het deksel van de pot eraf is geblazen. De buitenste lagen van de stervende ster worden vervolgens in de circumstellaire ruimte verdreven, en met hen alle chemische elementen die de ster tijdens zijn leven door kernverbranding heeft verzameld. Maar ook nieuwe elementen ontstaan ​​in de hete uitstoot van de explosie, waaronder radioactieve soorten zoals titanium (44Ti met 22 protonen en 22 neutronen) en nikkel (56Ni met elk 28 neutronen en protonen), die vervallen tot stabiel calcium en ijzer, respectievelijk. De radioactieve energie die daarbij vrijkomt, laat de supernova jarenlang helder schijnen.

Door het wild koken van het met neutrino verwarmde gas, de explosiegolf begint niet-sferisch en drukt een grootschalige asymmetrie af op de uitgestoten stellaire materie en de supernova als geheel (Fig. 1), in overeenstemming met de waarneming van klonterigheid en asymmetrieën in veel supernova's en hun gasvormige overblijfselen. De aanvankelijke asymmetrie van de explosie heeft twee directe gevolgen. Aan de ene kant, de neutronenster krijgt een terugslagmomentum tegengesteld aan de richting van de sterkere explosie, waar het supernovagas met meer geweld wordt uitgestoten. Dit effect is vergelijkbaar met de trap die een roeiboot krijgt als een passagier eraf springt. Anderzijds, de productie van zware elementen van silicium tot ijzer, in het bijzonder ook van titaan en nikkel, is efficiënter in richtingen waar de explosie sterker is en waar meer materie wordt verwarmd tot hoge temperaturen.

"We hebben beide effecten enkele jaren geleden voorspeld door onze driedimensionale (3-D) simulaties van door neutrino aangedreven supernova-explosies", zegt Annop Wongwathanarat, onderzoeker bij RIKEN en hoofdauteur van de overeenkomstige publicatie van 2013, toen hij bij MPA werkte in samenwerking met zijn co-auteurs H.-Thomas Janka en Ewald Müller. "De asymmetrie van de radioactieve ejecta is meer uitgesproken als de neutronenster kick groter is", hij voegt toe. Omdat de radioactieve atoomkernen worden gesynthetiseerd in de binnenste regionen van de supernova, zeer dicht bij de neutronenster, hun ruimtelijke verdeling weerspiegelt explosieasymmetrieën het meest direct.

Nieuwe waarnemingen van Cassiopeia A (Cas A), het gasvormige overblijfsel van een supernova waarvan het licht de aarde bereikte rond het jaar 1680, kon deze theoretische voorspelling nu bevestigen. Vanwege zijn jonge leeftijd en relatieve nabijheid op een afstand van slechts 11, 000 lichtjaren, Cas A biedt twee grote voordelen voor metingen. Eerst, het radioactieve verval van 44Ti is nog steeds een efficiënte energiebron en geeft hoogenergetische röntgenstraling vrij, daarom kan de aanwezigheid van deze atoomkern met hoge precisie in 3D in kaart worden gebracht. Tweede, de snelheid van de neutronenster is bekend met zowel zijn grootte als zijn richting op het vlak van de hemel. Aangezien de neutronenster zich voortplant met een geschatte snelheid van minstens 350 kilometer per seconde, de asymmetrie in de ruimtelijke verdeling van de radioactieve elementen zal naar verwachting zeer uitgesproken zijn. Precies dit is te zien in de waarnemingen (Fig. 2a).

Terwijl het compacte overblijfsel naar het lagere halfrond snelt, de grootste en helderste klonten met het grootste deel van de 44Ti worden gevonden in de bovenste helft van het gasresidu. De computersimulatie, gezien vanuit een geschikt gekozen richting, vertoont een opvallende gelijkenis met het waarnemingsbeeld (figuur 2b). Dit is ook te zien bij het vergelijken van de 3D-visualisatie van de simulaties in Fig. 3 met de 3D-beeldvorming van Cas A (www.mpa-garching.mpg.de/452369/news20170621ni ,
www.mpa-garching.mpg.de/452353/news20170621ti ).

Maar niet alleen de ruimtelijke verdelingen van titanium en ijzer lijken op die in Cas A. Ook de totale hoeveelheden van deze elementen, hun expansiesnelheden, en de snelheid van de neutronenster komt verbazingwekkend overeen met die van Cas A. "Dit vermogen om basiseigenschappen van de waarnemingen te reproduceren, bevestigt op indrukwekkende wijze dat Cas A het overblijfsel kan zijn van een door neutrino aangedreven supernova met zijn gewelddadige gasbewegingen rond de ontluikende neutronenster", concludeert H.-Thomas Janka.

Maar er is meer werk nodig om eindelijk te bewijzen dat de explosies van massieve sterren inderdaad worden aangedreven door energie-input van neutrino's. "Cas A is een object van zo veel belang en belang dat we ook de ruimtelijke verdelingen van andere chemische soorten zoals silicium, argon, neon, en zuurstof", merkt Ewald Müller op, wijzend op de prachtige morfologie met meerdere componenten van Cas A onthuld door 3D-beeldvorming. Het hebben van één voorbeeld is ook niet voldoende om een ​​volledig overtuigende zaak te maken. Daarom heeft het team zich aangesloten bij een grotere samenwerking om de theoretische voorspellingen voor door neutrino aangedreven explosies te testen door een nauwkeurige analyse van een grotere steekproef van jonge supernovaresten. Zo hopen de onderzoekers stap voor stap bewijs te verzamelen om het al lang bestaande probleem van het supernovamechanisme op te lossen.