Supernova's - het gewelddadige einde van het korte maar schitterende leven van massieve sterren - behoren tot de meest catastrofale gebeurtenissen in de kosmos. Hoewel supernova's de dood van sterren markeren, ze veroorzaken ook de geboorte van nieuwe elementen en de vorming van nieuwe moleculen.

In februari 1987, astronomen waren getuige van een van deze gebeurtenissen in de Grote Magelhaense Wolk, een klein dwergstelsel op ongeveer 160, 000 lichtjaar van de aarde.

In de komende 30 jaar zal observaties van het overblijfsel van die explosie onthulden nooit eerder vertoonde details over de dood van sterren en hoe atomen in die sterren werden gecreëerd - zoals koolstof, zuurstof, en stikstof - vloeien uit in de ruimte en combineren om nieuwe moleculen en stof te vormen. Deze microscopisch kleine deeltjes kunnen uiteindelijk hun weg vinden naar toekomstige generaties sterren en planeten.

Onlangs, astronomen gebruikten de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) om het hart van deze supernova te onderzoeken, genaamd SN 1987A. ALMA's vermogen om opmerkelijk fijne details te zien, stelde de onderzoekers in staat een ingewikkelde 3D-weergave te maken van nieuw gevormde moleculen in het supernova-overblijfsel. Deze resultaten worden gepubliceerd in de Astrofysische journaalbrieven .

De onderzoekers ontdekten ook een verscheidenheid aan voorheen onopgemerkte moleculen in het overblijfsel. Deze resultaten verschijnen in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society .

"Toen deze supernova explodeerde, nu meer dan 30 jaar geleden, astronomen wisten veel minder over de manier waarop deze gebeurtenissen de interstellaire ruimte hervormen en hoe de hete, gloeiend puin van een geëxplodeerde ster koelt uiteindelijk af en produceert nieuwe moleculen, " zei Rémy Indebetouw, een astronoom aan de Universiteit van Virginia en het National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Charlottesville. "Dankzij ALMA, we kunnen eindelijk koud 'sterrenstof' zien terwijl het zich vormt, het onthullen van belangrijke inzichten in de oorspronkelijke ster zelf en de manier waarop supernova's de basisbouwstenen van planeten creëren."

Astronomen hebben met behulp van ALMA-gegevens een 3D-beeld gemaakt van moleculen die zijn gesmeed in het overblijfsel van een supernova, SN 1987A. De paarse gebieden geven de locatie van siliciummonoxide (SiO) moleculen aan. Het gele gebied is de locatie van koolmonoxide (CO) moleculen. De blauwe ring is de werkelijke Hubble-gegevens (waterstof, of H-alpha) die kunstmatig is uitgebreid tot 3D. Bron:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), R.Indebetouw; NASA/ESA Hubble

Supernova's - Sterdood tot stofgeboorte

Voorafgaand aan lopende onderzoeken van SN 1987A, er was maar zoveel dat astronomen konden zeggen over de impact van supernova's op hun interstellaire buurten.

Het was algemeen bekend dat massieve sterren, die ongeveer 10 keer de massa van onze zon of meer, maakten op spectaculaire wijze een einde aan hun leven.

Als deze sterren geen brandstof meer hebben, er is niet langer genoeg warmte en energie om terug te vechten tegen de zwaartekracht. De buitenste regionen van de ster, ooit opgehouden door de kracht van fusie, kom dan met enorme kracht op de kern neer. De rebound van deze ineenstorting veroorzaakt een krachtige explosie die materiaal de ruimte in schiet.

Als het eindpunt van massieve sterren, wetenschappers hebben ontdekt dat supernova's verstrekkende gevolgen hebben voor hun eigen sterrenstelsels. "De reden waarom sommige sterrenstelsels het uiterlijk hebben dat ze tegenwoordig hebben, is voor een groot deel vanwege de supernova's die zich in hen hebben voorgedaan, "Zei Indebetouw. "Hoewel minder dan tien procent van de sterren supernova's worden, ze zijn niettemin de sleutel tot de evolutie van sterrenstelsels."

Deze wetenschappelijke visualisatie illustreert de evolutie van Supernova 1987A vanaf de aanvankelijke zwelling van de gastster en supernova-explosie tot de uitdijende schokgolf en de vorming van moleculen die door ALMA in het overblijfsel zijn gedetecteerd. Krediet:A. Angelich en B. Saxton, NRAO/AUI/NSF; R.Indebetouw et al., A. Angelich (NRAO/AUI/NSF); NASA/STScI/CfA/R. Kirshner; NASA/CXC/SAO/PSU/D. Burrows et al.; ESO; NASA/CXC/D.Berry/MIT/T.Delaney et al.; NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab; ESO/C. Malin/B. Tafreshi/José Francisco Salgado. Muziek:Geodesium

In het waarneembare heelal, supernova's komen vrij vaak voor, maar aangezien ze - gemiddeld - ongeveer eens in de 50 jaar verschijnen in een sterrenstelsel ter grootte van de Melkweg, astronomen hebben zeer weinig mogelijkheden om er een te bestuderen vanaf de eerste ontploffing tot het punt waarop het voldoende afkoelt om nieuwe moleculen te vormen. Hoewel SN 1987A niet in ons eigen sterrenstelsel is, het is nog steeds dichtbij genoeg voor ALMA en andere telescopen om tot in de kleinste details te bestuderen.

3D-beeld van SN1987A vastleggen met ALMA

Al decenia, radio, optisch, en zelfs röntgenobservatoria hebben SN 1987A bestudeerd, maar verduisterend stof in het overblijfsel maakte het moeilijk om de binnenste kern van de supernova te analyseren. ALMA's vermogen om te observeren op millimetergolflengten - een gebied van het elektromagnetische spectrum tussen infrarood en radiolicht - maakt het mogelijk om door het tussenliggende stof te kijken. De onderzoekers waren vervolgens in staat om de overvloed en locatie van nieuw gevormde moleculen te bestuderen - vooral siliciummonoxide (SiO) en koolmonoxide (CO), die helder schijnen op de korte submillimetergolflengten die ALMA kan waarnemen.

De nieuwe ALMA-afbeelding en -animatie tonen enorme nieuwe winkels van SiO en CO in discrete, verwarde bosjes in de kern van SN 1987A. Wetenschappers hebben eerder gemodelleerd hoe en waar deze moleculen zouden verschijnen. Met ALMA, de onderzoekers waren eindelijk in staat om afbeeldingen te maken met een resolutie die hoog genoeg was om de structuur in het overblijfsel te bevestigen en die modellen te testen.

Afgezien van het verkrijgen van dit 3D-beeld van SN 1987A, de ALMA-gegevens onthullen ook boeiende details over hoe de fysieke omstandigheden zijn veranderd en in de loop van de tijd blijven veranderen. Deze waarnemingen geven ook inzicht in de fysieke instabiliteiten in een supernova.

Nieuwe inzichten van SN 1987A

Eerdere waarnemingen met ALMA bevestigden dat SN 1987A een enorme hoeveelheid stof produceerde. De nieuwe waarnemingen geven nog meer details over hoe de supernova het stof heeft gemaakt en over het type moleculen dat in het overblijfsel werd gevonden.

"Een van onze doelen was om SN 1987A te observeren in een blinde zoektocht naar andere moleculen, " zei Indebetouw. "We verwachtten koolmonoxide en siliciummonoxide te vinden, omdat we deze moleculen eerder hadden ontdekt." De astronomen, echter, waren opgewonden om de eerder niet-gedetecteerde moleculen formylkation (HCO+) en zwavelmonoxide (SO) te vinden.

"Deze moleculen waren nog nooit eerder gedetecteerd in een jonge supernovarest, " merkte Indebetouw op. "HCO+ is vooral interessant omdat de vorming ervan tijdens de explosie bijzonder krachtig moet worden gemengd." Sterren smeden elementen in discrete ui-achtige lagen. Als een ster supernova wordt, deze eens goed gedefinieerde bands ondergaan gewelddadige vermenging, helpen om de omgeving te creëren die nodig is voor de vorming van moleculen en stof.

De astronomen schatten dat ongeveer 1 op de 1000 siliciumatomen van de geëxplodeerde ster nu wordt gevonden in vrij zwevende SiO-moleculen. Het overgrote deel van het silicium is al verwerkt in stofkorrels. Zelfs de kleine hoeveelheid SiO die aanwezig is, is 100 keer groter dan voorspeld door stofvormingsmodellen. Deze nieuwe waarnemingen zullen astronomen helpen bij het verfijnen van hun modellen.

Deze waarnemingen laten ook zien dat tien procent of meer van de koolstof in het overblijfsel momenteel in CO-moleculen zit. Slechts een paar van elke miljoen koolstofatomen zitten in HCO+-moleculen.

Nieuwe vragen en toekomstig onderzoek

Hoewel de nieuwe ALMA-waarnemingen een belangrijk licht werpen op SN 1987A, er blijven nog een aantal vragen over. Hoe overvloedig zijn de moleculen van HCO+ en SO precies? Zijn er nog andere moleculen die nog moeten worden gedetecteerd? Hoe zal de 3D-structuur van SN 1987A in de loop van de tijd blijven veranderen?

Toekomstige ALMA-waarnemingen bij verschillende golflengten kunnen ook helpen bepalen wat voor soort compact object - een pulsar of neutronenster - zich in het midden van het overblijfsel bevindt. De supernova heeft waarschijnlijk een van deze dichte stellaire objecten gecreëerd, maar tot nu toe is er nog geen gevonden.