Sterren voor hun dood: onzichtbare golven mengen de lagen van een instortende reus
Een gigantische ster, 25 keer zo zwaar als onze zon, staat op het punt in te storten en te ontploffen als supernova. Je zou denken dat astronomen dat proces inmiddels goed snappen. Maar een nieuwe supercomputersimulatie laat zien dat er in de laatste dagen iets gebeurt wat niemand had ingecalculeerd: onzichtbare golven die de binnenkant van de ster grondig door elkaar schudden.
Massieve sterren zijn aan het einde van hun leven opgebouwd als een soort ui. Verschillende lagen, elk met hun eigen chemische samenstelling, branden om beurten hun brandstof op. Tussen die lagen zitten grenzen, plekken waar de ene laag overgaat in de andere. Hoe scherp of vaag die grenzen zijn, bepaalt uiteindelijk of een ster straks explodeert als supernova, of juist stilletjes ineenstort tot een zwart gat.
Tot nu toe gingen computermodellen van sterren (de zogeheten 1D-modellen, die de ster als een simpele reeks lagen behandelen) ervan uit dat die grenzen scherp en stabiel blijven. Een onderzoeksteam bouwde nu een veel gedetailleerdere 3D-simulatie van zo'n ster, elf dagen voor de instorting. En wat bleek: die scherpe grenzen blijven helemaal niet stabiel.
Golven die de boel mengen
In de ster ontstaan interne zwaartekrachtsgolven. Dat zijn geen golven zoals rimpels op water, maar trillingen die door het binnenste van de ster bewegen, opgewekt doordat hete gas in de kokende brandende schillen tegen de grens van een rustiger laag botst. Deze golven blijken verrassend krachtig te zijn.
Op de grens tussen twee brandende schillen (specifiek de onderkant van de zogeheten koolstofschil) mengen deze golven binnen een paar uur de stof en energie zo grondig, dat de scherpe overgang voor ongeveer 40 procent vervaagt. Reken je die snelheid van mengen door, dan kan de overgang binnen een halve dag met 40 tot 85 procent afvlakken. Dat is de onzekerheidsmarge die de onderzoekers zelf aangeven, de precieze uitkomst hangt af van hoe je de berekening doortrekt in de tijd.
Dat klinkt misschien als een detail, maar het is precies deze scherpte van de overgang die bepaalt hoe de schokgolf van een aankomende supernova zich gedraagt. Wanneer een ster instort, ontstaat er een schokgolf die soms vastloopt. Of die schokgolf weer op gang komt, hangt af van hoe snel de dichtheid en temperatuur veranderen op die grenzen. Vervaagt de grens, dan verandert dus ook de kans dat de ster daadwerkelijk ontploft.
Er is nog een tweede gevolg: als de grenzen vervagen, kunnen de zuurstof- en koolstoflagen van de ster samensmelten vlak voor de instorting. Dat zou ook de chemische samenstelling beïnvloeden die de ster de ruimte in slingert bij de explosie, de stof waaruit uiteindelijk weer nieuwe sterren en planeten ontstaan.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is één simulatie van één ster van 25 zonsmassa's, geen bevestigd algemeen natuurwet. De onderzoekers hebben dit nog niet vergeleken met waarnemingen van echte supernova's, en het is nog niet duidelijk hoe dit precies uitpakt voor sterren met een andere massa. Wel is duidelijk dat de huidige standaardmodellen deze golfmenging volledig missen, wat betekent dat bestaande voorspellingen over welke sterren wel of niet exploderen mogelijk bijgesteld moeten worden.
Toch is dit een belangrijke stap. Het laat zien dat de simpele lagenmodellen die astronomen al decennia gebruiken, een cruciaal stuk natuurkunde missen. Dat heeft gevolgen voor allerlei berekeningen die op die modellen zijn gebaseerd, van voorspellingen over welke sterren ontploffen tot berekeningen over welke chemische elementen supernova's de ruimte in sturen.