Wat doen minuscule stipjes siliciumcarbide sterrenstof, gevonden in meteorieten en ouder dan het zonnestelsel, gemeen hebben met paren ouder wordende sterren die vatbaar zijn voor uitbarstingen?

Een samenwerking tussen twee wetenschappers van de Arizona State University - kosmochemicus Maitrayee Bose en astrofysicus Sumner Starrfield, beide van de School of Earth and Space Exploration - heeft het verband blootgelegd en het soort stellaire uitbarsting gelokaliseerd dat de sterrenstofkorrels produceerde.

Hun onderzoek is zojuist gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift .

De microscopisch kleine korrels van siliciumcarbide - duizend keer kleiner dan de gemiddelde breedte van een mensenhaar - maakten deel uit van de constructiematerialen die de zon en het planetaire systeem bouwden. Geboren in nova-uitbarstingen, die herhaalde catastrofale uitbarstingen zijn door bepaalde soorten witte dwergsterren, de siliciumcarbidekorrels worden tegenwoordig gevonden ingebed in primitieve meteorieten.

"Siliciumcarbide is een van de meest resistente stukjes die in meteorieten worden gevonden, "zei Bose. "In tegenstelling tot andere elementen, deze sterrenstofkorrels zijn onveranderd bewaard gebleven van voordat het zonnestelsel werd geboren."

gewelddadige geboorte

Een ster wordt een nova - een 'nieuwe ster' - wanneer hij plotseling vele magnitudes helderder wordt. Novae komen voor in paren van sterren waarbij één ster een hete, compact overblijfsel genaamd een witte dwerg. De andere is een koele reuzenster die zo groot is dat zijn uitgestrekte buitenste atmosfeer gas naar de witte dwerg voedt. Als er genoeg gas is verzameld op de witte dwerg, een thermonucleaire uitbarsting volgt, en de ster wordt een nova.

Hoewel krachtig, de uitbarsting vernietigt de witte dwerg of zijn metgezel niet, zodat nova's steeds weer kunnen uitbarsten, herhaaldelijk in de ruimte gooien van gas en stofkorrels gemaakt in de explosie. Van daaruit versmelten de stofkorrels met wolken van interstellair gas om de ingrediënten te worden van nieuwe sterrenstelsels.

De zon en het zonnestelsel werden ongeveer 4,6 miljard jaar geleden geboren uit zo'n interstellaire wolk, bezaaid met stofkorrels van eerdere uitbarstingen van sterren door veel verschillende soorten sterren. Bijna alle oorspronkelijke granen werden verbruikt bij het maken van de zon en planeten, toch bleef er een klein deel over. Vandaag deze stukjes sterrenstof, of presolaire korrels, kunnen worden geïdentificeerd in primitieve materialen van het zonnestelsel, zoals chondritische meteorieten.

"De sleutel die dit voor ons ontgrendelde, was de isotopensamenstelling van de sterrenstofkorrels, "Zei Bose. Isotopen zijn variëteiten van chemische elementen die extra neutronen in hun kernen hebben. "Isotopische analyse laat ons de grondstoffen traceren die samenkwamen om het zonnestelsel te vormen."

Ze voegde eraan toe, "Elke siliciumcarbidekorrel draagt ​​een handtekening van de isotopensamenstelling van zijn moederster. Dit geeft een sonde van de nucleosynthese van die ster - hoe hij elementen maakte."

Bose verzamelde gepubliceerde gegevens over duizenden granen, en ontdekte dat bijna alle granen van nature in drie hoofdcategorieën waren gegroepeerd, elk toe te schrijven aan een of andere soort ster.

Maar er waren ongeveer 30 korrels die niet konden worden herleid tot een bepaalde oorsprong van de sterren. In de oorspronkelijke analyses deze korrels werden gemarkeerd als mogelijk afkomstig van nova-explosies.

Maar deden ze dat?

Sterrenstof maken

Als theoretisch astrofysicus, Starrfield gebruikt computerberekeningen en simulaties om verschillende soorten sterexplosies te bestuderen. Deze omvatten novae, terugkerende novae, Röntgenuitbarstingen en supernova's.

In samenwerking met andere astrofysici, hij ontwikkelde een computermodel om de uitgestoten materialen te verklaren die te zien zijn in het spectrum van een nova die in 2015 werd ontdekt. ​​Daarna woonde hij een colloquiumlezing bij die werd gegeven door Bose voordat ze bij de faculteit kwam.

"Ik zou dit niet hebben nagestreefd als ik Maitrayee's toespraak niet had gehoord en daarna ons vervolggesprek had gehad, " zei hij. Dat trok hem dieper in de details van nova-uitbarstingen in het algemeen en wat presolar-korrels konden zeggen over deze explosies die ze in de ruimte gooiden.

Al snel ontstond er een probleem. "Na met haar gesproken te hebben, "Starfield zei, "Ik ontdekte dat onze eerste manier om het probleem op te lossen niet overeenkwam met de astronomische waarnemingen of haar resultaten.

"Dus ik moest een manier bedenken om dit te omzeilen."

Hij wendde zich tot multidimensionale studies van klassieke nova-explosies en bedacht een geheel nieuwe manier om de modelberekeningen uit te voeren.

Er zijn twee belangrijke compositieklassen van nova, zei Starfield. "De ene is de zuurstof-neonklasse waar ik al 20 jaar aan werk. De andere is de koolstof-zuurstofklasse waar ik niet zoveel aandacht aan had besteed." De klasse-aanduidingen voor novae komen van de elementen die in hun spectra worden gezien.

"De koolstof-zuurstofsoort produceert veel stof als onderdeel van de explosie zelf, "Zei Starrfield. "Het idee is dat de nova-explosie tot in de koolstof-zuurstofkern van de witte dwerg reikt, het brengen van al deze verbeterde en verrijkte elementen in een regio met hoge temperaturen."

Dat, hij zei, kan een veel grotere explosie veroorzaken, toevoegen, "Het is echt rommelig. Het schiet stof in ranken, lakens, jets, klodders en klonten."

Starrfield's berekeningen maakten voorspellingen van 35 isotopen, inclusief die van koolstof, stikstof, silicium, zwavel en aluminium, dat zou worden gecreëerd door de koolstof-zuurstof nova-uitbarstingen.

Het bleek dat het absoluut noodzakelijk was om de juiste verhouding van het kernmateriaal van de witte dwerg en het aangegroeide materiaal van de begeleidende ster te krijgen om de simulaties te laten werken. Bose en Starrfield vergeleken de voorspellingen vervolgens met de gepubliceerde samenstellingen van de siliciumcarbidekorrels.

Dit bracht hen tot een enigszins verrassende conclusie. zei Bos, "We ontdekten dat slechts vijf van de ongeveer 30 korrels afkomstig kunnen zijn van novae."

Hoewel dit een teleurstellend resultaat lijkt, de wetenschappers waren eigenlijk tevreden. Bose zei, "Nu moeten we de samenstelling van de korrels uitleggen die niet afkomstig zijn van nova-uitbarstingen. Dit betekent dat er een volledig nieuwe stellaire bron of bronnen te ontdekken zijn."

Dan kijkend naar het grotere plaatje, voegde ze eraan toe, "We hebben ook ontdekt dat astronomische waarnemingen, computersimulaties en zeer nauwkeurige laboratoriummetingen van sterrenstofkorrels zijn allemaal nodig als we willen begrijpen hoe sterren evolueren. En dit is precies het soort interdisciplinaire wetenschap waar de school in uitblinkt."