Een wereldwijd team onder leiding van UC Santa Barbara-wetenschappers van het Las Cumbres Observatory heeft het eerste overtuigende bewijs gevonden voor een nieuw type stellaire explosie:een supernova die elektronen opvangt. Hoewel ze al 40 jaar worden getheoretiseerd, voorbeelden uit de echte wereld waren ongrijpbaar. Men denkt dat ze voortkomen uit de explosies van massieve super-asymptotische reuzentaksterren (SAGB), waarvoor ook weinig bewijs is. De vondst, gepubliceerd in Natuurastronomie , werpt ook nieuw licht op het duizendjarige mysterie van de supernova uit 1054 na Christus die overdag over de hele wereld zichtbaar was, voordat het uiteindelijk de Krabnevel werd.

historisch, supernova's zijn in twee hoofdtypen uiteengevallen:thermonucleaire en ijzeren kerninstorting. Een thermonucleaire supernova is de explosie van een witte dwergster nadat deze materie heeft gekregen in een dubbelstersysteem. Deze witte dwergen zijn de dichte askernen die overblijven nadat een ster met een lage massa (één tot ongeveer 8 keer de massa van de zon) het einde van zijn leven heeft bereikt. Een supernova waarbij een ijzeren kern instort, vindt plaats wanneer een massieve ster - één meer dan ongeveer 10 keer de massa van de zon - geen nucleaire brandstof meer heeft en zijn ijzeren kern instort, het creëren van een zwart gat of neutronenster. Tussen deze twee hoofdtypen van supernova's bevinden zich supernova's die elektronen vangen. Deze sterren stoppen met fusie wanneer hun kernen zijn gemaakt van zuurstof, neon en magnesium; ze zijn niet massief genoeg om ijzer te maken.

Terwijl de zwaartekracht altijd probeert een ster te verpletteren, wat de meeste sterren ervan weerhoudt in te storten is ofwel voortdurende fusie of, in kernen waar de fusie is gestopt, het feit dat je de atomen niet strakker kunt pakken. In een supernova voor elektronenvangst, sommige elektronen in de zuurstof-neon-magnesiumkern worden tegen hun atoomkernen ingeslagen in een proces dat elektronenvangst wordt genoemd. Deze verwijdering van elektronen zorgt ervoor dat de kern van de ster bezwijkt onder zijn eigen gewicht en instort, resulterend in een elektronenvangende supernova.

Als de ster iets zwaarder was geweest, de kernelementen hadden kunnen samensmelten om zwaardere elementen te creëren, het verlengen van zijn leven. Het is dus een soort omgekeerde Goudlokje-situatie:de ster is niet licht genoeg om te ontsnappen aan het instorten van de kern, het is ook niet zwaar genoeg om zijn leven te verlengen en later op een andere manier te sterven.

Dat is de theorie die in 1980 werd geformuleerd door Ken'ichi Nomoto van de Universiteit van Tokyo en anderen. In de loop van de decennia, theoretici hebben voorspellingen geformuleerd over waar te zoeken in een supernova die elektronen opvangt en hun SAGB-stervoorlopers. De sterren moeten veel massa hebben, verlies er veel van voordat het explodeert, en deze massa bij de stervende ster zou een ongebruikelijke chemische samenstelling moeten hebben. Dan zou de elektronenvangende supernova zwak moeten zijn, weinig radioactieve neerslag hebben, en hebben neutronenrijke elementen in de kern.

De nieuwe studie wordt geleid door Daichi Hiramatsu, een afgestudeerde student aan UC Santa Barbara en Las Cumbres Observatory (LCO). Hiramatsu is een kernlid van het Global Supernova Project, een wereldwijd team van wetenschappers dat tientallen telescopen over en boven de wereld gebruikt. Het team ontdekte dat de supernova SN 2018zd veel ongewone kenmerken had, waarvan sommige voor het eerst werden gezien in een supernova.

Het hielp dat de supernova relatief dichtbij was - op slechts 31 miljoen lichtjaar afstand - in de melkweg NGC 2146. Dit stelde het team in staat archiefbeelden te onderzoeken die voorafgaand aan de explosie met de Hubble-ruimtetelescoop waren gemaakt en de waarschijnlijke voorloperster ervoor te detecteren ontplofte. De waarnemingen kwamen overeen met een andere recent geïdentificeerde SAGB-ster in de Melkweg, maar inconsistent met modellen van rode superreuzen, de voorlopers van normale supernovae die instorten van een ijzeren kern.

De auteurs hebben alle gepubliceerde gegevens over supernova's doorgenomen, en ontdekten dat, hoewel sommigen een paar van de indicatoren hadden die waren voorspeld voor supernova's voor het vangen van elektronen, alleen SN 2018zd had alle zes:een schijnbare SAGB-voorvader, sterk massaverlies vóór de supernova, een ongebruikelijke stellaire chemische samenstelling, een zwakke explosie, weinig radioactiviteit en een neutronenrijke kern.

"We begonnen met te vragen 'wat is deze gek?'", zei Hiramatsu. "Vervolgens onderzochten we elk aspect van SN 2018zd en realiseerden we ons dat ze allemaal kunnen worden verklaard in het elektronenvangstscenario."

De nieuwe ontdekkingen belichten ook enkele mysteries van de beroemdste supernova uit het verleden. In 1054 vond er een supernova plaats in het Melkwegstelsel die, volgens Chinese en Japanse gegevens, was zo helder dat het 23 dagen overdag te zien was, en 's nachts voor bijna twee jaar. Het resulterende overblijfsel, de Krabnevel, is tot in detail bestudeerd.

De Krabnevel was voorheen de beste kandidaat voor een elektronenvangst-supernova, maar de status ervan was onzeker, deels omdat de explosie bijna duizend jaar geleden plaatsvond. Het nieuwe resultaat vergroot het vertrouwen dat de historische SN 1054 een elektronenvangende supernova was. Het verklaart ook waarom die supernova relatief helder was in vergelijking met de modellen:de helderheid ervan werd waarschijnlijk kunstmatig verbeterd door de supernova-ejecta die botste met materiaal dat door de voorloperster werd afgestoten, zoals te zien was in SN 2018zd.

Ken Nomoto van de Kavli IPMU van de Universiteit van Tokio sprak zijn opwinding uit dat zijn theorie was bevestigd. "Ik ben erg blij dat de elektronenvangende supernova eindelijk is ontdekt, waarvan mijn collega's en ik voorspelden dat ze zouden bestaan ​​en die 40 jaar geleden een verband hebben met de Krabnevel, " zei hij. "Ik waardeer de grote inspanningen die zijn gemoeid met het verkrijgen van deze waarnemingen zeer. Dit is een prachtig geval van de combinatie van observaties en theorie."

Hiramatsu heeft toegevoegd, "Het was zo'n 'Eureka-moment' voor ons allemaal dat we kunnen bijdragen aan het sluiten van de 40-jarige theoretische lus, en voor mij persoonlijk omdat mijn carrière in de astronomie begon toen ik naar de verbluffende foto's van het heelal in de bibliotheek van de middelbare school keek, een daarvan was de iconische Krabnevel, gemaakt door de Hubble-ruimtetelescoop."

"De term Rosetta Stone wordt te vaak gebruikt als analogie wanneer we een nieuw astrofysisch object vinden, " zei Andrew Howell, een stafwetenschapper bij Las Cumbres Observatory en adjunct-faculteit bij UCSB, "maar in dit geval denk ik dat het passend is. Deze supernova helpt ons letterlijk duizend jaar oude records uit culturen over de hele wereld te decoderen. En het helpt ons iets te associëren dat we niet volledig begrijpen, de Krabnevel, met iets anders hebben we ongelooflijke moderne records van, deze supernova. In het proces leert het ons over fundamentele fysica:hoe sommige neutronensterren worden gemaakt, hoe extreme sterren leven en sterven, en over hoe de elementen waaruit we zijn gemaakt worden gecreëerd en verspreid over het universum." Howell is ook de leider van het Global Supernova Project, en hoofdauteur Hiramatsu's Ph.D. adviseur.