Wat is een kilonova?

Een kilonova is een heldere explosie van elektromagnetische straling die optreedt wanneer twee neutronensterren of een neutronenster en een zwart gat met stellaire massa botsen en samensmelten.

Wanneer deze botsingen plaatsvinden wordt er een enorme hoeveelheid materie uit de neutronensterren, de ultradichte kernen van massieve sterren die het einde van hun leven hebben bereikt, uitgestoten. Deze materie is rijk aan neutraal deeltjes die neutronen worden genoemd, en in deze gewelddadige zee van deeltjes rond een samensmelting van neutronensterren worden de zwaarste elementen van het periodiek systeem gemaakt. Deze omvatten goud en platina, radioactieve elementen zoals uranium en het jodium dat door ons bloed stroomt. Veel sieraden danken hun bestaan aan een gebeurtenis die een kilonova veroorzaakte.

Een kilonova is de elektromagnetische gloed van dit uitgestoten materiaal. Het is een voorbijgaande astronomische gebeurtenis, wat betekent dat het aan de hemel verschijnt als een korte lichtflits die een hoogtepunt bereikt en vervolgens weer vervaagt voordat hij volledig verdwijnt.

Wat is het verschil tussen nova’s, supernova’s en kilonova’s?

Voor het eerst gesuggereerd in een artikel uit 1998, werden kilonova’s aanvankelijk mini-supernova’s of micronova’s genoemd, omdat werd voorspeld dat de stralingsflitsen van de samensmelting van neutronensterren tussen de 1% en 10% zo helder zouden zijn als die van typische supernova’s.

De term “kilonova” werd bedacht door Brian Metzger, momenteel hoogleraar natuurkunde aan de Columbia University, waarbij Metzger en zijn collega’s erop wezen dat, hoewel een kilonova minder krachtig is dan een supernova, deze nog steeds 1000 keer krachtiger is als een standaard nova.

Een standaardnova vindt plaats wanneer een zwak stellair overblijfsel, een witte dwerg genoemd, in een binair systeem materiaal aantrekt van een begeleidende ster, meestal een rode reus, waardoor de witte dwerg plotseling duizenden keren helderder wordt dan zijn oorspronkelijke helderheid. Wanneer dit materiaal zich ophoopt op het oppervlak van de witte dwerg veroorzaakt het een nucleaire explosie die stellair materiaal uitwerpt. De witte dwerg begint opnieuw materie van de rode reus te verzamelen en het proces herhaalt zich.

Het woord “nova” komt uit het Latijn en betekent “nieuw” en verwijst naar het feit dat sterren die in nova’s uitbarsten te zwak zijn om gezien te worden voordat ze plotseling helderder worden, waardoor ze als nieuwe sterren aan de hemel lijken te verschijnen.

Een Type Ia-supernova is vergelijkbaar met een standaardnova in die zin dat een witte dwerg materie ontdoet van een binaire metgezel. Maar in dit geval duwt die materiestroom de witte dwerg over de massalimiet die nodig is om een supernova en de creatie van een neutronenster te veroorzaken.

Type II-supernova’s duiden ook op de geboorte van een neutronenster of een zwart gat. In dit geval gebeurt dat echter als gevolg van het instorten van de kern van een massieve ster aan het einde van zijn levensduur. Om deze reden worden kosmische explosie vaak “kerninstorting”-supernova’s genoemd, die meer dan een miljoen keer helderder zijn dan nova’s.

Omdat een kilonova het licht vertegenwoordigt dat voortkomt uit de botsing van neutronensterren, verschilt een kilonova duidelijk van zowel een standaardnova als een supernova. Toch bestaat er een verband tussen kilonova’s en supernova’s, aangezien kilonova’s niet mogelijk zouden zijn zonder dat er eerst een of twee supernova’s plaatsvinden.

Wat veroorzaakt een kilonova?

Supernova’s treden op tijdens het ontstaan van neutronensterren of zwarte gaten, dus de meeste kilonova’s vinden plaats in systemen waarin twee supernova’s dichte stellaire overblijfselen hebben voortgebracht, hoewel de explosieve gebeurtenissen waarschijnlijk miljarden jaren van elkaar zijn verwijderd.

Specifieke supernova-explosies, ultra-gestripte supernova’s genoemd, zijn vooral belangrijk voor kilonova’s omdat ze van vitaal belang zijn voor het ontstaan van binaire systemen die een kilonova kunnen voortbrengen. Deze explosieve gebeurtenissen vinden plaats wanneer een begeleidende ster een neutronenster-voorloperster van zijn stellaire materie ontdoet, waardoor er minder materiaal uit een stervende ster wordt uitgestoten dan wordt waargenomen bij typische supernova-explosies.

Ultra-gestripte supernova-explosies zijn relatief zwak vergeleken met andere supernova’s. ze missen ook de beginsnelheid die nodig is om de zich vormende neutronenster weg te werpen van zijn dubbelster, wat betekent dat de neutronenster die in zo’n gebeurtenis ontstaat nog steeds in een baan rond een relatief nabije begeleidende ster kan draaien.

Op dit punt in de geschiedenis van het dubbelstersysteem kan de nieuw ontstane neutronenster beginnen met het ontdoen van de buitenste lagen van zijn begeleidende ster, waardoor het voedingsproces dat tot de eerste ultra-gestripte kilonova leidt, wordt omgekeerd. Uiteindelijk veroorzaakt dit een tweede ultra-gestripte spernova in het dubbelstersysteem en het ontstaan van een tweede neutronenster, die opnieuw weinig materiaal uitwerpt en niet de startsnelheid heeft om de tweede neutronenster uit zijn dubbelstersysteem te gooien.

Het resultaat is een strak binair systeem waarin twee neutronensterren dicht om elkaar heen draaien, maar een kilonova-ontploffing is nog miljoenen jaren ver weg. Spiraalvorming vindt plaats omdat deze binaire neutronensterren – en binaire sterren die een zwart gat en een neutronenster bevatten – voortdurend kleine rimpelingen in de ruimtetijd uitzenden die zwaartekrachtgolven worden genoemd.

De zwaartekrachtgolven voeren het impulsmoment weg van de neutronensterren terwijl ze om elkaar heen draaien. Als gevolg hiervan wordt het binaire systeem steeds nauwer aangetrokken naarmate de bewoners dichterbij elkaar komen, en zendt het zwaartekrachtgolven uit met steeds hogere frequenties. Dit zorgt ervoor dat het impulsmoment steeds sneller uit het systeem lekt en dat de neutronensterren steeds sneller naar binnen bewegen totdat ze botsen en samensmelten.

Wanneer dit soort botsingen plaatsvinden tussen een neutronenster en een zwart gat, vergemakkelijkt dit de groei van dat zwarte gat. Wanneer het echter tussen twee neutronensterren plaatsvindt ontstaat er een superzware neutronenster die snel instort en een nieuw zwart gat voortbrengt.

Kilonova’s kunnen waardevol zijn

Wetenschappers hebben al lang begrepen dat de kernfusieprocessen die sterren aandrijven de elementen smeden, te beginnen met de nucleosynthese van helium uit waterstof, het lichtste element in het heelal.

Hierdoor ontstaan elementen zo waar als ijzer, waarbij de zwaarste sterren een kern van ijzer bezitten op het moment dat ze als een Type II-supernova sterven en een neutronenster of een zwart gat achterlaten. Het probleem hiermee is dat ijzer met 26 protonen in de atoomkern verre van het zwaarste element is.

Dit betekende dat het maken van elementen die zwaarder zijn dan ijzer – zoals zilver (47 protonen), goud (79 protonen) en platina (78 protonen) – vóór de kilonova-theorieën een soort mysterie was. Wetenschappers dachten dat deze elementen konden worden gemaakt via het snelle neutronenvangstproces, of “r-proces”, maar om dit stabiel te laten verlopen zou er een omgeving nodig zijn die absoluut overspoeld wordt met vrije neutronen.

Omdat neutronensterren bijna volledig uit een dichte soep van neutronen bestaan werpen ze tijdens botsingen ongeveer een gram neutronen per kubieke centimeter in hun omgeving uit. Hierdoor ontstaan rond de fusie een neutronenrijke omgeving waarin het r-proces kan verlopen.

Het r-proces begint wanneer de zaadkernen van ijzer worden gebombardeerd door deze vrije neutronen, waardoor ze worden opgezogen. Stabiele ijzeratomen, zoals de isotoop ijzer-56, hebben 26 protonen en 30 neutronen. De overmaat aan neutronen die door de neutronenvangst aan ijzer wordt afgegeven, maakt de ijzeratomen instabiel en radioactief als gevolg van een enorme onbalans tussen protonen en neutronen. Dit heeft tot gevolg dat sommige atomen bètaverval ondergaan, waarbij neutronen in protonen worden omgezet via de emissie van elektronen en andere deeltjes, zoals het antimaterie-equivalent van neutrino’s – antineutrino’s.

Een element wordt gedefinieerd door het aantal protonen in zijn kern, dus dit proces transformeert ijzer in zwaardere elementen, zoals goud, in wat bijna een vorm van kosmische alchemie is. Het is de straling van het verval van de radioactieve elementen die tijdens het r-proces ontstaan, de ervoor zorgt dat het materiaal dat door de neutronensterren wordt uitgestoten, gaat gloeien, en dit licht wordt een kilonova genoemd. Om kilonova’s te begrijpen, moeten we daarom de creatie van zwaardere elementen bestuderen.

Kilonova’s kunnen worden geïdentificeerd aan de hand van hun unieke waarnemingssignatuur, waarbij deze gebeurtenissen helderder zijn bij nabije-infrarode golflengtes dan bij zichtbaar licht. Het verschil in helderheid bij deze golflengtes is te wijten aan de zware elementen die door de kilonova’s worden uitgestoten, die zichtbaar licht blokkeren en tegelijkertijd het infraroodlicht met langere golflengte ongehinderd doorlaten.

Dit betekent dat het waarnemen van kilonova’s vanaf de Aarde erg moeilijk is, omdat slechts een handvol telescopen, zoals de twee Gemini-telescopen, gevoelig genoeg zijn voor nabij-infrarode golflengtes om deze gebeurtenissen te detecteren.

Hebben we kilonova’s waargenomen?

Fusies tussen neutronensterren en botsingen tussen zwarte gaten en neutronensterren zijn verantwoordelijk voor een reeks emissies over het hele elektromagnetische spectrum, zoals snelle radio-uitbarstingen (FRB’s), korte gammaflitsen en röntgenstraling. Deze kunnen worden gebruikt om de gewelddadige gebeurtenis te lokaliseren waardoor ze zijn ontstaan, die astronomen gebruiken om op kilonova’s of hun nagloed te jagen. Vroege vermoedelijke kilonovadetecties in 2009 en 2013 gingen gepaard met korte gammaflitsen.

Zwaartekrachtgolven kunnen ook nuttig zijn bij het opsporen van kilonova’s. Wanneer spiraliserende neutronensterren uiteindelijk botsen en samensmelten, ontstaat er een plotselinge explosie van zwaartekrachtsgolven die kunnen worden gedetecteerd wanneer ze uiteindelijk de Aarde bereiken.

Deze zwaartekrachtsgolven reizen met de snelheid van het licht, net als elektromagnetische straling. Dus wanneer een zwaartekrachtgolfdetector, zoals de Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), zwaartekrachtgolven detecteert van een samensmelting van neutronensterren of een samensmelting tussen een neutronenster en een zwart gat, kunnen astronomen dit opvolgen en proberen de kilonova in actie te vangen.

Dit werkte in augustus 2017 met groot succes, toen LIGO samen met Virgo zwaartekrachtgolven detecteerden van een samensmelting van neutronensterren op 130 miljoen lichtjaar van de Aarde. Binnen 12 uur bleek de bron van het zwaartekrachtgolfsignaal – GW170817 genoemd – het sterrenstelsel NGC 4993 e zijn, en werd onthuld dat de kilonova die het gevolg was van de fusie was opgemerkt in waarnemingen gedaan door de Hubble Space Telescope. GW170817 was de eerste gebeurtenis die werd “gehoord” in zwaartekrachtgolven en “gezien” met elektromagnetische straling.

In 2022 ontdekte een team van astronomen wat een kilonova-nagloed zou kunnen zijn die ongeveer 3,5 jaar na de botsing en samensmelting van twee neutronensterren plaatsvond die het zwaartekrachtgolfsignaal GW170817 creëerden. Dit was het resultaat van een röntgen jet uit de samensmelting die uitbreidde en vertraagde, maar een röntgengloed met constante helderheid achterliet.

Astronomen jagen echter niet altijd op kilonova’s; soms zijn ze deze krachtige lichtflitsen ver vooruit. Begin 2023 zagen astronomen voor het eerst wat zij denken dat een systeem is dat voorbestemd is om een kilonova voort te brengen. Het kilonova-voorlopersysteem CPD-29 2176 bevindt zich op een afstand van 11.400 lichtjaar en bevat twee nauwe binaire objecten: een neutronenster ontstaan uit een ultragestripte supernova en een Be-ster waarvan de neutronenster zijn buitenste lagen ontdoet en die uiteindelijk zal verdwijnen en via hetzelfde proces een neutronenster zal worden.

Het zal nog enige tijd duren voordat de tweed ester een van deze zeldzame kosmische explosies veroorzaakt. De ontdekkers van het systeem zeggen dat het nog miljoenen jaren zal duren voordat de Be-ster tot ontploffing komt in een ultragestripte supernova. Zelfs daarna zullen de twee neutronensterren in het CPD-29 2176-systeem miljarden jaren nodig hebben om naar elkaar toe te draaien en samen te smelten. De zeldzaamheid van kilonova’s betekent dat dit voorlopersysteem een waarneming van “een op de tien miljard” is, zeiden de ontdekkers in een verklaring.

Terwijl astronomen kilonova’s bestuderen, vertonen deze kosmische lichtstoten onverwachte eigenschappen die wetenschappers nog maar net beginnen te begrijpen. In februari 2023 ontdekten wetenschappers bijvoorbeeld dat de kilonova-ontploffing die verband houdt met GW170817 een perfecte bolvorm lijkt aan te nemen.

Deze bevinding staat in contrast met alle eerdere modellen die suggereerden dat twee botsende neutronensterren die 100 keer per seconde om elkaar heen draaien een explosie in de vorm van een afgeplatte schijf zouden moeten veroorzaken. Dit betekent dat kilonova’s mogelijk tot nu toe onontdekte natuurkunde verbergen.

Wetenswaardigheden

Wat veroorzaakt een kilonova?

Kilonova’s zijn uitbarstingen van elektromagnetische straling die het gevolg zijn van het radioactieve verval van ijzeratomen in materiaal dat wordt uitgestoten wanneer twee neutronensterren tegen elkaar botsen of wanneer een neutronenster samensmelt met een zwart gat.

Kunnen we kilonova’s zien?
Ja, we kunnen met telescopen kilonova’s zien als we weten waar we moeten kijken. Botsingen tussen neutronensterren genereren zwaartekrachtgolven die op Aarde kunnen worden gemeten. Astronomen kunnen vervolgens proberen deze detecties op te volgen met telescopen om zo kilonova’s te spotten.

Helaas zijn zwaartekrachtsgolfdetectoren niet goed in het lokaliseren van de bron van de rimpelingen in de ruimtetijd die ze “horen”, dat betekent dat wetenschappers tot nu toe slechts één waarneming hebben gedaan in zowel zwaartekrachtgolven als licht: de fusie van neutronensterren in het sterrenstelsels NGC 4993, dat toen door de Hubble Space Telescope als een kilonova werd gezien.

Wat is het verschil tussen nova’s, supernova’s en kilonova’s?

Alle drie de explosieve lichtuitbarstingen worden veroorzaakt door verschillende gebeurtenissen. Nova’s zijn het zwakst, met een output die miljoenen keren zwakker is dan die van supernova’s. Kilonova’s zijn de volgende sterkste, met outputs die duizenden keren krachtiger zijn dan nova’s, maar nog steeds tussen de 10 en 100 keer minder krachtig zijn dan supernova’s.

Hoe zijn neutronensterren verbonden met het ontstaan van goud?

De omgeving rond botsingen met neutronensterren is rijk aan vrije neutronen, die een vorm van nucleosynthese kunnen faciliteren die het snelle neutronenvangstproces of r-proces wordt genoemd. Elementen die zwaarder zijn dan ijzer kunnen worden gemaakt door het r-proces wanneer ijzer, het zwaarste element dat door sterren kan worden gesmeed, vrije neutronen opneemt en transformeert in andere, zwaardere elementen.

Eerste publicatie: 12 januari 2024
Bron: space.com & anderen