Exploderende zware sterren produceren “zand”

exploderende sterren maken siliciumoxide
Deze afbeelding van het supernovarestant G54.1+0.3 is samengesteld uit radiogolflengtes, infrarood licht en röntgenlicht. Credit: NASA/JPL-Caltech/CXC/ESA/NRAO/J. Rho (SETI Institute)

Wij allen bestaan spreekwoordelijk uit het stof van sterren. Veel van de chemische elementen waaruit onze planeet en onze lichamen zijn opgebouwd zijn door sterren gemaakt. Een nieuwe studie die gebruikt heeft gemaakt van waarnemingen van de Spitzer Space Telescope van de NASA geeft aan dat er voor het eerst ook siliciumoxide, een van de meest voorkomende mineralen op Aarde, is ontstaan tijdens de explosie van zware sterren.

Als je om je heen kijkt dan is de kans heel erg groot dat je de een of andere vorm van siliciumoxide (SiO2) om je heen ziet. Siliciumoxide is de belangrijkste component van veel soorten gesteente op Aarde. Siliciumoxide wordt in de industrie gebruikt om er beton voor wegen, fietspaden en gebouwen mee te maken. Eén vorm van siliciumoxide is kwarts en dat is het hoofdbestanddeel van zand. Siliciumoxide is een belangrijk bestanddeel voor de productie van glas, zowel glas voor amen als glas voor vezels. Ook wordt zeer zuiver silicium, dat gewonnen wordt uit siliciumoxide, gebruikt in de elektronica-industrie.

Ongeveer 60% van de korst van de Aarde bestaat uit siliciumoxide. Dat het in grote hoeveelheden voorkomt op Aarde is geen verrassing want siliciumstof wordt overal in het heelal gevonden. Een bekende bron van siliciumoxide zijn zogenaamde AGB-sterren, dit zijn sterren met ongeveer de massa van de Zon die bijna door hun brandstof heen zijn en opzwellen tot vele malen hun oorspronkelijke grootte om zo een rode reus te vormen. (AGB-sterren zijn een type rode reussterren.) Maar siliciumoxide is niet de hoofdcomponent in het stof van AGB-sterren en waarnemingen maakten niet duidelijk of dergelijke sterren de voornaamste producent zijn van het siliciumoxidestof dat we in het hele heelal waarnemen.

Een nieuw onderzoek rapporteert nu de detectie van siliciumoxide in twee supernovarestanten: Cassiopeia A en G54.1+0. Een supernova is een ster die veel zwaarder is dan de Zon die aan het eind van zijn leven door zijn brandstof heen is en dan ineenstort. Dit snelle ineenstorten zorgt voor een gigantische explosie waarbij atomen kunnen fuseren en er zo zwaardere elementen zoals zwavel, calcium en silicium kunnen ontstaan.

Chemische vingerafdrukken

Om het siliciumdioxide in Cassiopeia A en G54.1+0.3 te identificeren maakte het team gebruik van archiefdata van het IRS instrument van de Spitser Space Telescope en een techniek die spectroscopie wordt genoemd. Met behulp van spectroscopie kan gekeken worden naar de individuele golflengtes waaruit het licht is opgebouwd.

Chemische elementen en moleculen zenden allemaal op specifieke golflengtes licht uit en dat betekent dat ze een kenmerkende spectrale vingerafdruk hebben die in een hoge-resolutie spectrum gevonden kan worden. Om de spectrale vingerafdruk van een bepaald molecuul te ontdekken moeten wetenschappers gebruik maken van modellen die meestal met behulp van computers worden opgesteld, die de natuurkundige eigenschappen van een molecuul zichtbaar kunnen maken. Door het draaien van dergelijke simulaties kunnen specifieke spectrale vingerafdrukken van moleculen worden ontdekt.

Maar er zijn natuurkundige factoren die heel subtiel de golflengtes waarop moleculen licht uitzenden kunnen beïnvloeden. Dit was het geval bij Cassiopeia A. Ofschoon de spectroscopische gegevens van Cassiopeia A golflengtes toonden die dicht bij de verwachte golflengtes van siliciumoxide lagen konden de onderzoekers de gegevens niet in verband brengen met een specifiek element of molecuul.

Jeonghee Rho, een astronoom van het SETI Instituut in Mountain View in de Amerikaanse staat Californië en de hoofdauteur van het artikel dacht dat wellicht de vorm van de siliciumoxide korrel zou kunnen zorgen voor de verschillen. Bestaande siliciumoxide modellen gingen er namelijk van uit dat de korrels perfect rond zijn.

Ze begon met het bouwen van modellen waarin ook korrels voorkwamen die niet rond zijn. Toen de een model opstelde waarin alleen maar rugbybalvormige korrels voorkwamen kon ze een match krijgen met de spectrale gegevens die ze uit de data van de Spitzer had gehaald.

Rho en haar coauteurs van het artikel vonden hetzelfde kenmerk terug in het tweede supernovarestant, G54.1+0.3. De langgerekte korrels zeggen wetenschappers iets over de processen waarbij siliciumoxide ontstaat.

De auteurs combineerden ook de waarnemingen van de Spitser van de twee supernovarestanten met waarnemingen die de Europese Herschel Space Telescope had gedaan om zo de hoeveelheid siliciumoxide te berekenen die bij iedere explosie was geproduceerd.  Herschel neemt op ander golflengtes in het infrarood waar dan Spitzer. De onderzoekers keken naar het gehele golflengtebereik van de beide observatoria en identificeerden bij welke golflengte het stof zijn grootste helderheid had. Die informatie kon gebruikt worden om de temperatuur van het stof te berekenen. Om de hoeveelheid te bepalen zijn zowel de helderheid als de temperatuur nodig.

Dit nieuwe onderzoek impliceert dat het siliciumoxide dat door supernova’s wordt geproduceerd groot genoeg is om de hoeveelheden in het stof in het heelal te verklaren waaronder ook het stof dat uiteindelijk bij het ontstaat van onze planeet werd gebruikt.

Het onderzoek werd op 24 oktober 2018 gepubliceerd in het tijdschrift “the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” en het bevestigt keer op keer dat als we door een raam kijken, we in d tuin lopen of over een kiezelstrand we contact hebben met materiaal dat is gemaakt door exploderende sterren die miljarden jaren geleden ophielden te bestaan.

Publicatie: J Rho, et al., “A dust twin of Cas A: cool dust and 21 μm silicate dust feature in the supernova remnant G54.1+0.3,” MNRAS, 2018; doi:10.1093/mnras/sty1713

 

 

Eerste publicatie: 23 november 2018