Dood van blauwe reuzensterren kan exotische materie produceren

Als de grootste sterren in het heelal sterven dan kan er tijdens deze fase exotische vormen van materie ontstaan die we zagen tot enkele seconden na de Oerknal. Nieuw onderzoek heeft uitgewezen dat deze gebeurtenissen genoeg energie zouden kunnen genereren om catastrofale explosies mogelijk te maken.

Een supernova is een explosie waarbij een ster korte tijd vele malen helderder wordt dan alle andere sterren in zijn sterrenstelsel. Deze uitbarstingen kunnen plaatsvinden als gigantische sterren met een massa van ongeveer 100 zonsmassa of meer door hun brandstofvoorraad zijn. Hun kern stort onder hun eigen kolossale gewicht in en er ontstaat een object zoals een zwart gat of een neutronenster.

Eerder onderzoek had uitgewezen dat als de kern van een ster implodeert er spookdeeltjes vrijkomen die we neutrino’s noemen. Deze deeltjes nemen de meeste energie van het ineenstorten mee naar buiten. Als deze neutrino’s in contact komen met de schil van materiaal rond de kern van de ster dan wordt deze verhit en kan deze explosief, als een supernova, worden weggeblazen.

Dit oudere onderzoek kon echter niet verklaren hoe supernova’s van erg zware blauwe superreuzen met een massa van 50 zonsmassa of meer precies plaatsvinden. Simulaties met supercomputers lieten zien dat als de kern van dergelijke sterren ineenstort dit leidt tot een “mislukte supernova”. In deze scenario’s ontstaat er een zwart gat zonder dat neutrino’s de omringende schil genoeg verhitten zodat er een supernova-explosie kan ontstaan.

Onderzoekers denken nu dat blauwe superreuzen toch als een supernova kunnen exploderen ze exotische vormen van materie maken tijdens de desintegratie van protonen en neutronen. It resulteert in een soep van deeltjes die we alleen kennen van een heel kort moment na de Oerknal.

Quarkachtige sterexplosies

De kernen van atomen bestaan uit deeltjes die we kennen als nucleonen, waaronder protonen en neutronen. Deze nucleonen bestaan weer uit trio’s van deeltjes die we quarks noemen en die in protonen en neutronen bij elkaar worden gehouden door deeltjes die we gluonen noemen.

Onder extreme drukken en temperaturen kunnen deze nucleonen weer uit elkaar vallen waarbij er exotische vormen van materie ontstaan die we quark-gluon plasma noemen. De onderzoekers suggereren nu dat dit proces van desintegratie, dat “quark deconfinement” wordt genoemd, enorme hoeveelheden hitte kan genereren en die hitte leidt dan weer tot de supernova.

De wetenschappers gebruikten computersimulaties om de evolutie van een supernova van een blauwe superreus met een massa van 50 zonsmassa te modelleren. Ze ontdekten dat de “quark deconfinement” een verklaring biedt voor een breed spectrum aan verschillende supernova’s. Ze ontdekten ook dat nadat een supernova van een blauwe superreus heeft plaatsgevonden er uit de restanten van deze sterren “hybride” sterren ontstaan. Dit zijn neutronensterren met een massa van ongeveer 2 zonsmassa die een kern hebben bestaande uit een soep van vrije quarks.

Hints van neutrino’s?

Een manier om te zien of een “quark deconfinement” daadwerkelijk plaatsvindt in een stervende blauwe superreus maakt gebruik van neutrino’s. Het ineenstorten van de kern van een ster zorgt voor een uitbarsting van neutrino’s maar de onderzoekers berekenden dat het afbreken van nucleonen tot een soep van quarks een schokgolf moet genereren die leidt tot een tweede uitbarsting van neutrino’s. Toekomstig onderzoek zou supernova’s van blauwe superreuzen kunnen onderzoeken op het voorkomen van een dubbele uitbarsting van neutrino’s om die manier het nieuwe model te bevestigen en meer details te onthullen over het nog steeds geheimzinnige ontstaan van een quark-gluon plasma.

Een andere manier om te kijken of er een “quark deconfinement” plaatsvindt is te zoeken naar hydride sterren. Ofschoon dergelijke sterren heel veel lijken op neutronensterren zouden ze kouder en op een heel andere manier moeten ronddraaien dan een normale neutronenster.

De wetenschappers hebben hun bevindingen op 22 oktober 2018 gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy (pdf)

Eerste publicatie: 31 oktober 2018