Diep in een stervende ster: wetenschappers zien een complexe 'ui' van kokende lagen vlak voor de instorting
Een paar dagen voordat een zware ster instort en als supernova explodeert, speelt zich in de kern een bijna onvoorstelbaar chaotisch proces af. Gas kookt, mengt en verbrandt tegelijkertijd, in lagen die elkaar voortdurend beïnvloeden. Een nieuwe 3D-computersimulatie laat nu precies zien hoe ingewikkeld die laatste fase eigenlijk is.
Sterren die veel zwaarder zijn dan onze zon, eindigen hun leven met een explosie: een supernova. Vlak voordat dat gebeurt, verbrandt de kern van de ster steeds zwaardere elementen, laag voor laag, als een soort uienschil. In dit onderzoek keken wetenschappers specifiek naar een laag waarin zuurstof en neon, twee scheikundige elementen, met elkaar versmelten in hete, kokende gaslagen.
Dit soort lagen heet een "convectiezone". Convectie is hetzelfde proces dat je ziet als water kookt: warm gas stijgt op, koelt af, en zakt weer naar beneden. In een stervende ster gebeurt dit op een veel grotere schaal, en tegelijkertijd vindt er kernfusie plaats, het samensmelten van atoomkernen waarbij energie vrijkomt. Het bijzondere aan deze fase is dat het mengen door convectie en het verbranden door kernfusie even snel gaan. Ze beïnvloeden elkaar voortdurend, in plaats van dat het ene proces simpelweg na het andere komt.
Een laag binnen een laag binnen een laag
Door een gedetailleerde 3D-simulatie te maken van zo'n versmelting tussen zuurstof en neon, ontdekte het onderzoeksteam dat de kokende zone helemaal niet één simpele, goed gemengde massa is. In plaats daarvan bevat één enkele convectiezone meerdere, in elkaar geneste schillen, elk met hun eigen balans tussen mengen en verbranden.
Stel je een pot soep voor die niet gewoon gelijkmatig kookt, maar waarin zich allerlei aparte wervelende laagjes vormen, elk met een net iets andere temperatuur en samenstelling, en die toch allemaal met elkaar in verbinding staan via stromen van materiaal. Zoiets gebeurt hier, maar dan met gas van miljoenen graden en met kernreacties die voor bijna elk scheikundig element net anders verlopen.
Bijna alle van die lagen bevinden zich in een soort evenwicht: er wordt net zo veel materiaal aangevoerd en verbrand als er weer wegstroomt. Dat evenwicht wordt niet alleen bepaald door de algemene opbouw van de ster, maar ook door het specifieke, collectieve gedrag van de kernreacties van elke afzonderlijke isotoop (een variant van een scheikundig element).
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is één gedetailleerde computersimulatie, geen waarneming van een echte ster. De bevindingen moeten nog vergeleken worden met andere simulaties en, waar mogelijk, met waarnemingen. Ook is dit onderzoek gericht op één specifiek type ster in één specifieke fase. Of dit patroon van geneste schillen bij alle zware sterren optreedt, is nog niet vastgesteld.
Waarom is dit belangrijk? De meeste modellen die astronomen gebruiken om het hele leven van een ster te berekenen, zijn eendimensionaal: ze behandelen de ster als een reeks simpele, gelaagde bollen zonder deze complexe mengstructuren. Deze nieuwe 3D-simulatie laat zien dat de werkelijkheid binnenin een stervende ster veel grilliger is. Dat kan gevolgen hebben voor hoe goed we kunnen voorspellen welke elementen een supernova de ruimte in slingert, elementen die uiteindelijk weer onderdeel worden van nieuwe sterren, planeten en misschien wel van onszelf.
Bron: Structure of Convective-Reactive Zone in a Supernova Progenitor