Supernovae

Op 22 juli 2010 meldden de media dat de tot nu toe zwaarste ster (R136a1) was ontdekt in de Grote Magellaan Wolk , een ster die voorbestemd is om te eindigen als een Hypernova.  

In mijn blog van 28 mei 2010 had ik het over een artikel in Time, over de SN1987A , dat mijn interesse wekte om meer te weten te komen over het ontstaan en de werking van het heelal en de supernova in het bijzonder.Een supernova is een explosie van een reuzenster waarbij Fe (ijzer) en alle atomen zwaarder dan ijzer gevormd worden. Gezien Fe een bestanddeel is van Haemoglobine, mag men besluiten dat de bouwstenen van het leven voortkomen uit de Supernovae.

Ik vond het moment gekomen om het verhaal van de Supernova in verstaanbare termen neer te schrijven.

Inhoud van deze blog :

1. Het scenario van een Supernova
2. Begrippen uit de Astronomie en de Quantummechanica
3. Bekende Supernovae

Het Heelal - index
http://dirkdrubbel.blogspot.be/2012/03/het-heelal-index.html

•    Het scenario van een Supernova

Het mechanisme bestaat uit een opeenvolging van fusiereacties die in stappen verloopt waarbij uiteindelijk Fe wordt gevormd.
Wanneer door gebrek aan fusiemateriaal ( bv. H  in de H-fusie ) de fusiereactie tijdelijk stopt, vermindert de weerstand tegen de gravitatiekracht, zodat de ster kan krimpen onder haar eigen gewicht.
Hierdoor loopt de temperatuur in de kern zodanig op dat een volgende fusiereactie op gang komt.

( Volgend schema maakt alles duidelijk - klik op de afbeelding en vervolgens  op de link om in te zoomen ) 

Einde H fusie (9 miljoen jaar)

Fusie tot Mg ( 1,1 miljoen jaar)

Fusie tot Si (8 jaar)

Fusie tot Fe ( 2 dagen)

Explosie

Uren na de explosie

Uren na de explosie

Schema van een ster vlak voor de explosie

Scenario van de explosie

• Begrippen uit de Astronomie en de Quantummechanica

Alpha reacties : fusiereacties waarbij, uitgaande van C, door fusie met He achtereenvolgend O Ne en Mg wordt gevormd.

                             C + He ---- O
                             O + He ---- Ne
                             Ne + He ---- Mg  ( vereenvoudigd voorgesteld )

Chandrasekharlimiet : genoemd naar Chandrasekhar de Indische Astrofysicus , is het de grens (1.4 zonnemassa's) waarbij , wanneer die overschreden wordt door de massa van de kern van een ingestorte ster, er een neutonenster gevormd wordt.


Eddington limiet : genoemd naar Eddington, de Britse Astrofysicus , is het die lichtsterkte van een ster , waarbij er evenwicht is tussen de gravitatiekracht en de uitwendige stralingskracht.
Wanneer de limiet overschreden wordt treedt een constante sterrenwind op die materie wegblaast.




Elektronen degeneratiedruk : is het gevolg van het Pauli verbod en is de druk die verhindert dat materie verder kan instorten dan tot een witte dwerg , voor zover de massa van de kern
 < 1.4 zonnemassa's. De druk wordt bereikt als alle lage energieniveau''s door de electronen bezet zijn .




Fusie van H : is de enegiebron van de zon en de meeste sterren.Het is de fusie van H bij een temperatuur van 40 miljoen gr.K, waarbij He wordt gevormd. (4H ---- He ) 
Door de fusie blijven de temperatuur en de druk in de kern van de ster hoog en verhinderen dat de ster krimpt onder invloed van de gravitatiekracht.  


Heisenberg´s onzekerheidsprincipe : genoemd naar de Duitse physicus Werner Heisenberg, is het de onmogelijkheid tergelijkertijd met zekerheid en de plaats en het momentum van elementaire deeltjes te bepalen m.a.w er is enkel een statistische zekerheid.

Probability densities for the electron of H in different quantum states

Hypernova : explosie, op het einde van de levenscuclus, van massieve sterren met een massa van 100 - 300 zonnemassa's. De kern stort in tot een zwart gat. Een groep van onderzoekers , onder leiding van de Astofysicus Thomas van de Wasburn University in Kansas, opperen de mogelijkheid dat een hypernova een massale sterfte van leven zou veroorzaakt hebben tijdens het Ordovicium - Siluur tijdperk (440 miljoen jaren geleden) . Hiervan is echter geen sluitend bewijs.




kiloparsec (kpc) : is binnen de Astrofysica de maat voor aanduiding van de afstand tot de aarde.(1kpc = 3260 lichtjaren)


Lokale Groep : Een groep van stelsels waartvan de Melkweg en het Andromeda stelsel de voornaamste zijn. De Grote en de Kleine Magellaan wolk zijn satelietstelsels van de Melkweg

Lokale groep

Magnitude (m) : is de maat van helderheid van een hemellichaam gezien vanop de aarde, genormaliseerd naar de waarde die ze zou hebben bij afwezigheid van de atmosfeer. Hoe helderder des te lager de waarde.

( Zon - 26.71 , Volle Maan -12.74, zwakke sterren +3.5 )


Massa defect : de massa van een kern (nucleus) is groter dan de som van de massa's van zijn nucleonen ( i.e. protonen en neutronen ). Het massaverschil wordt massadefect genoemd


 Neutronenster : is het eindstadium van een Supernova waarbij een " ster " achterblijft die enkel bestaat uit neutronen. Door de enorme druk bij het instorten van een reuzenster ,met een massa van minimum 8 - 11 zonnemassa´s, worden de electronen in de protonen geperst en tot neutronen omgevormd.De dichtheid is enorm doordat het vacuüm tussen de de kern en de electronen is verdwenen. Een neutronenster heeft een massa van minimum 1,4 zonnemassa's ( Chandrasekhar limiet) . De verdere ineenstorting wordt begrensd door de neutronen degeneratiedruk.

Neutronenster

Neutronen degeneratiedruk : is het gevolg van het Pauli verbod en verhindert een neutronrenster verder in te storten. Als de massa van de kern > 1.4 zonnemassa's kan de electronendegeneratiedruk de ster niet verhinderen verder in te storten tot een neutronenster.  


Nucleaire bindingsenergie : het verschil tussen de massa van een nucleus en de som van de massa's van de protonen en de neutronen die de nucleus vormen is uitgedrukt als E= mc² de bindingsenergie van de nucleus. 
Bij zwaardere nuclei wordt de electromagnetische afstotingsenergie van de protonen sterker, maar de nucleaire bindingsernergie eveneens.
De netto bindingsenergie is het verschil tussen de  nucleaire kracht en de electromagnetische afstoting. De netto bindingsenergie per nucleon , eens He voorbij, groeit trager en bereikt de piek bij Fe m.a.w Fe - 56 heeft de sterkst gebonden kern.

Bindingsenergie per nucleus

Nucleaire energie :  is de energie die vrijkomt bij een kernfusie . De energie die vrijkomt is
E = mc² ( m = massadefect ) en wordt afgevoerd als gamma-straling, kinetische energie of als elementaire deeltjes. Nucleaire energie komt eveneens vrij bij kernfissie en radioactief kernverval


Nucleaire fusie : een fusiereactie komt op gang als door compressie van de de ster de protonen zodanig verhit worden en daardoor zo hevig met elkaar botsen dat ze dicht genoeg bij elkaar komen om de nucleaire bindingskracht sterker te laten worden dan de elctromagnetische kracht.


Nucleaire kracht : is de zeer sterke kernkracht die de atoomkernen bij elkaar houdt en enkel werkt op heel korte afstand. Bij kernen met veel protonen dreigt de afstoting het te halen op aantrekking. De neutronen spelen hier een stabiliserende rol als verdunner van de afstotende kracht. 


Pulsar : Roterende neutronenster die in pulsen een stroom van electomagnetische staling uitzendt.

Pulsat (schematisch)

Pair - instability supernova : is een proces dat kan optreden bij reuzensterren. 
De gamma - stralen die in de kern ontstaan kunnen een zodanige energie krijgen dat ze bij botsing met atoomkernen, in de buitenste regionen van de ster, vrije electronen en positronen produceren. Dit veroorzaakt een plotselinge drukverlaging waardoor de ster door de zwaartekracht instort. Door deze hevige contactie komt een explosieve thermonucleaire reactie op gang die de ster doet exploderen .Hierbij wordt geen neutronenster of een zwart gat gevormd , maar worden de resten in de ruimte geslingerd als een Supernova Restant .

Illustratie pair-instability supernova

Pauli verbod : genoemd naar de Oostenrijkse fysicus Werner Pauli dat zegt dat 2 elementaire deeltjes niet gelijktijdig dezelfde quantum status kunnen hebben. Deze wet is bepalend voor de degeneratiedruk van electronen (witte dwerg) en van neutronen (neutronenster). Het Pauli verbod is ook geldig voor neutronen en protonen vermits die zijn opgebouwd uit elementaire deeltjes met name quarks

Elementaire deeltjes

Reuzensterren : sterren met massa's van minimum 8-11 zonnemassa's die eindigen als een Supernova of vanaf 100 zonnemassa´s als Hypernova . Hun massa is voldoende groot om de Si - fusie op gang te brengen.
.

HR diagram

r proces : nucleussynthese die optreedt bij een Supernova explosie.Tijdens de explosie is er een uitbarsting van neutronen die doordingen in de, tijdens de Si - fusie gevormde, kernen en daardoor kernen vormen die zwaarde zijn dan Fe 


Schwarzschild radius : genoemd naar de Duitse fysicus,is  de grensradius rond een zwart gat vanaf waar de ontsnappingssnelheid gelijk is aan de snelheid van het licht ( 299,792 km/sec ).
De radius is recht evenredig met de massa van het zwart gat .


Silicium fusie : is het korte proces van nucleaire fusiereacties dat optreedt in sterren met een massa van min. 8 - 11 zonnemassa's. Silicium fusie begint wanneer de temperatuur als gevolg van de,door de gravitatiekracht veroorzaakte contractie stijgt tot 2.7 - 3.5 miljard gr. K.
Het volgt op de alpha cyclus waarbij uiteindelijk Fe wordt gevormd.

                             Mg + He ---- Si
                            Si  + He ---- S
                            S   + He ---- Ar
                            Ar  + He ---- Ca
                            Ca + He ---- Ti
                            Ti   + He ---- Cr
                            Cr + He ---- Fe 
                            ( vereenvoudigde voorstelling )


Singulariteit : is in de kosmologie een punt van een oneindig klein volume met een oneindig grote dichtheid waar de gewone natuurkundige wetten niet meer gelden. ( bv. in een zwart gat )
Men neemt aan dat een singularitet veel kleiner is dan een atoomkern. 


Supernova : is de explosie op het einde van de levenscyclus van een reuzenster met een massa van minimum 8  - 11 zonnemassa's.Op het einde van de cyclus wordt door Si-fusie een kern van Fe gevormd. Na de explosie blijft er een neutronenster of ,indien de ster een massa heeft van minimum  30 zonnemassa's, een zwart gat over


Tolman - Oppenheimer - Volkoff limiet : genoemd naar de fysici Tolman, Oppenheimer en Volkoff. Het is de limiet die ligt bij ± 3 zonnemassa's, waarbij een neutronenster verder instort tot een zwart gat.



Triple alpha reactie : Fusiereactie waarbij uitgaande van He uiteindelijk C wordt gevormd

                              He +He ---- Be
                              Be + He ---- C
                             ( vereenvoudigde voorstelling )


Type Ia Supernova : kan optreden bij een dubbelster, waarbij een van de sterren de massa van de andere ster opneemt en alzo de voldoende massa krijgt die nodig is voor een supernova.
Een van de sterren kan ook een witte dwerg zijn.
( zie schema)

Schema Type Ia Supernova

Type II Supernova : treedt op bij sterren met een massa van minimum 8 -11 zonnemassa's waarbij in een stap een neutonenster of een zwart gat gevormd wordt.
( zie schema )

Seconden vóór de explosie

Schema van Type II Supernova

Witte derg : is het einfstadium van een ster met een massa kleiner dan 8 zonnemassa's. De fusies gaan niet verder dan C en O ( zie tripel alpha proces) en de uiteindelijke massa van de witte dwerg is < 1.4 zonnemassa's ( de Chandrasekhar limiet ). Bij het ineenstorten wordt een planetaire nevel uitgestoten . Het ineenstorten wordt begrensd door de electronen degeneratiedruk 

Planetaire Nevel
Ring Nebula M57

Zonnemassa : is de standaard om de massa van hemellichamen uit te drukken
( 1.99 x 10macht 30 kg )

Zwart Gat : is een gebied in de ruimte waarin materie is gevallen met een enorme dichtheid, waaruit niets kan ontsnappen, zelfs geen licht . De massa is geconcentreerd in één punt dat de singulariteit wordt genoemd.
Een zwart gat ontstaat na de explosie van een reuzenster van minimum 30 zonnemassa's.
Cygnus X1 een bron van X-straling, op een afstand van ± 2kpc, werd ontdekt in 1964 en verraadt meer dan waarschijnlijk de aanwezigheid van een zwart gat. De X straling wordt uitgezonden door  verhitte materie die door het zwarte gat wordt aangezogen.

Cygnus X1 ( X ray opname)

Black Hole

X straling van verhiite materie
die in een Zwart Gat valt

http://www.demorgen.be/dm/nl/992/Wetenschap/article/detail/1358654/2011/12/06/Grootste-zwarte-gaten-ooit-gevonden.dhtml#.Tt6zJfQ44Jg.blogger

•  Bekende Supernovae

SN 185
Is de eerste door mensen geregistreerde supernova
Werd ontdekt en beschreven door Cinese astronomen in 158 n.C.
Ontstond in de Melkweg op een afstand van 2.51kpc
Had een m = -8 en zou gedurende acht maanden zichtbaar geweest zijn .
De gaswolk RCW 86 is een overblijfsel van de supernova

X stralen opname van RCW86

SN 1006
Werd uitvoerig beschreven door Chinese en Arabische astronomen.
Ontstond in de Melkweg op een afstand van 2.2 kpc en was van het type Ia
Was de helderste verschijning ooit beschreven met een m = -7.5
Was volgens de nagelaten beschrijving ook zichtbaar gedurende de dag
In 1965 werd de radiobron PKS 1459-41 geïdentificeerd als het overblijfsel van de SN1006 

Samengesteld opname van PKS 1459-41

SN 1054
Werd ontdek door astronomen in China, Japan, Perzië ...
Ontstond in de Melkweg op een afstand van 2 kpc.en was van het type II
Was een heldere verschijning met een m = - 6 die tijdens een periode van 23 dagen gedurende de dag zichtbaar was.
De bekende Crab Nevel met in het hart een Pulsar van radiogolven is het overblijfsel van de supernova. De nevel werd reedsl in 1731 geobserveerd, maar de Pulsar werd eerst in 1968 ontdekt.

Crab Nebula

Neutonenster in Crab Nebula

SN1572
Wordt ook Tycho's Nova genoemd naar de Deense astronoom Tycho Brahe die het verschijnsel uitvoerig beschreef in zijn boek "de stella nova". De ontdekking was waarschijlijk een van de meest belangrijke gebeurtenissen in de geschiedenis van de astronomie omdat  ze een ommekeer in de studie en de opvattingen  van de astronomie inluidde. 
Ontstond in de Melkweg op een afstand van 2.3 kpc en was van het type Ia .
Was met een m = -4 zichtbaar met het blote oog.
In 1960 werd een gaswolk ontdekt die het overblijfsel was van de supernova.

Restant van SN 1572

SN 1604
Wordt ook Kepler´s Supernova genoemd naar de Duitse wiskundige en astronoom.
Ontstond in de Melkweg op een afstand van 6.1kpc en was van het type Ia .
Was helderder dan de sterren met een m = -2.5.
Is de laatste ontdekte supernova in de Melkweg.

Restant van SN 1604

SN 1987A
Werd op 24 februari 1987 ontdekt in de "Tarantula Nevel"  binnen " Grote Magellaan wolk " een satelietstelsel van de Melkweg in de " Lokale Groep " op een afstand van 51.4 kpc en was van het weinig voorkomende type IIp . Met een m = +3  was het in het zuidelijk halfrond
's nachts zichtbaar met het blote oog.
De supernova was het gevolg van de ontploffing van een B3 superreus ( Sanduleak).
De SN 1987 A is uiteraard een van de meest gevolgde gebeurtenissen uit het heelal.
De ster had 20.000 jaar vóór de Supernova een ring van materiaal uitgestoten. Met de Hubble telescoop werden in 2007 beelden gemaakt waaruit blijkt dat enkele maanden na de explosie, de schokgolf die op de explosie volgde, de binnenste rand van de ring heeft verhit en heeft doen oplichten. Er werd ook een haltervormige structuur gevormd  die verder uitdijt.
Er wordt nog steeds gezocht naar bewijs voor een neutronenster. Men neemt aan dat er een neutronenster werd gevormd maar dat ze nog afgeschermd door een dichte wolk van stof, ofwel dat er een zwart gat werd gevormd.

SN 1987A

SN 1987A

Restant van SN 1987 A in X -ray en Zichtbaar licht

SN 1987A ( ring en halterstructuur )

SN 2006 gy
Ontstond in NGC 1260 uit een Hypergiant van +/- 150 zonnemassa's op een afstand van 72Mpc en was van het type pair- instability.
De supernova was met m = +14.2 straalde honderd maal sterker dan de SN 1987A maar  was te ver verwijderd om zichtbaar te zijn.

SN 2006gy

R136a1 
Is een blauwe Hyperreus van ±265 zonnemassa's in de Tarantula nevel van de Grote Magellaan wolk op een afstand van 50,4 kpc . Daar de ster dicht bij de Eddington limiet aanzit wordt aangenomen dat ze sinds haar ontstaan 50 zonnemassa's heeft uitgestoten.
Waarschijnlijk zal deze enorme ster eindigen als een  Hypernova  of als een Pair Instability Supernova .
De R136a1 is de grootste tot nu toe waargenomen ster.

R136a1

Bronnen :
www.en.wikipedia.org/wiki/supernova
http://www.hubblesite.org/
Reis door het heelal - Sterren  (Time-life boeken )
Het Heelal ( Stephen Hawking)
Het Universum (Stephen Hawking)
Theory of Everything (Stephen Hawking)
De Evolutie van het Heelal (Hubert Reeves)
Explosies in het Heelal (Isaac Asimov)
Het Heelal ( Patric Moore & Iain Nicolson)
De Materie ( Martin Sherwood & Christine Sutton)
Heelal en Aarde (Josip Kleczek en Peter Jakes)
Time ( march 23,1987)