26 september 2018

De Supernova Fontein

De Supernova Fontein maakt sinds 2015 deel uit van de permanente collectie van het wetenschapsmuseum Palais de la Découverte in Parijs. In het artikel ‘De asymmetrische dynamiek van supernova-explosies onthuld door een waterfontein’ van Thierry Foglizzo voor De Physicus behandelt hij enkele  astrofysische vragen m.b.t. deze fontein.

 

links; Supernova restant Cassiopheia A rechts; Supernova fontein credits; Foglizzo

Illustratie; Het supernova restant van  Cassiopeia A explodeerde 300 jaar geleden in de Melkweg. Dit is een compositie van infrarood (Spitzer), zichtbaar licht (oranje, HST) en X-rays (blauw, groen, Chandra).   De asferische explosie gaf geboorte aan een compact object (gecentreerde cyaan punt) De supernovafontein  gebruikt een vloeibare analogie om het fysieke proces te tonen dat verantwoordelijk is voor een asymmetrische supernova explosie aan het publiek te tonen in het Palais de la découverte in Parijs. credits;Foglizzo

Het magazine ‘De physicus’ is het maandblad  van de technische natuurkunde (TN) studievereniging (officieel orgaan van de vereniging voor technische physica) van de TU Delft. Het is een compact blad met een verzorgde lay-out, telt rond de 50 bladzijden en bevat vaak pareltjes van artikelen.  In het februari nummer van 2018 staat een drie pagina lang artikel n.a.v. deze waterfontein. Deze moet aan wetenschappers en het publiek een beter  inzicht  geven in het fenomeen van supernovae, neutronensterren en meer specifiek in de asymmetrische dynamische processen die zich hierin afspelen. Ik zal hierin iets over de inleiding van Foglizzo’s artikel vertellen, de eerste drie vragen met hun uitleg voorleggen en de referenties doorgeven voor verdere uitleg over zijn meest recente werk waaronder ook deze fontein.

Explosies van massieve sterren,  bekend als supernovae zijn een sleutelproces in de astrofysica om de zware kernen te verspreiden die worden gevormd door fusiereacties, terwijl ze  compacte objecten zoals neutronensterren en zwarte gaten doen ontstaan. De supernova-fontein onthult de asymmetrische dynamiek van de laatste seconde vóór de ontploffing wanneer de stellaire kern inzakt om een proto-neutronenster in slow motion te vormen. Het experiment laat zien dat explosies aan de zijkanten een natuurlijk gevolg zijn van de vloeistofdynamica. Als gevolg hiervan worden neutronensterren geboren  met extreme waargenomen snelheden van meer dan 1000 km/s en kunnen ze sneller dan tien keer per seconde ronddraaien.

Onderzoekers gebruiken het fontein experiment  om hun fysieke intuïtie over schokinstabiliteiten op te bouwen. Zijn eenvoud stelt tevens  het publiek in staat te leren over supernovae, de vorming van neutronensterren en zwarte gaten. Het maakt sinds 2015 deel uit van de permanente collectie van het wetenschapsmuseum Palais de la Déecouverte in Parijs. Enkele astrofysische vragen m .b.t. deze fontein die Foglizzo voor het magazine behandelde waren  de volgende;

Hoe kan een eenvoudig waterfontein-experiment inzicht bieden in astrofysische vragen?
Hoewel de waterdynamiek in de fontein veel eenvoudiger is dan de 3D-dynamiek van een sterrenkern, suggereren geavanceerde numerieke simulaties in 3D dat deze eenvoudige fontein verschillende belangrijke processen van de supernova-theorie vastlegt. De astrofysische verbinding baseert zich op de analogie tussen watergolven in de fontein en akoestische golven in de ster.

Waarom exploderen sferische sterren in hoge mate asymmetrisch?
De supernova-fontein leert ons dat bolvormige instorting tot transversale bewegingen kan leiden. Op een vergelijkbare manier leren observatie van wapperende vlaggen ons dat transversale beweging verschijnt, zelfs in regelmatige  homogene winden. Dus ja, we moeten zijwaartse stellaire explosies verwachten.

Waarom versnellen neutronensterren tien keer sneller door de interstellaire ruimte dan hun massieve oudersterren?
Een zijwaartse explosie resulteert in een zogeheten ‘kicked’ neutronenster (Een pulsar kick is het fenomeen dat een neutronenster vaak niet beweegt met de snelheid van zijn ouderster, maar eerder met een aanzienlijk grotere snelheid. De oorzaak van pulsar kicks is onbekend, maar veel astrofysici denken dat dit te wijten is aan een asymmetrie in de manier waarop een supernova ontploft, Pulsar kick; wikipedia) vanwege een terugslageffect.

Ook illustreert hij aan de hand van de fontein wat de oorsprong is van de snelle rotatie van neutronensterren en  hoe het kan dat neutronensterren tegengesteld  roteren ten opzichte van hun oudersterren. en hoe de  explosieve dood van een massieve ster altijd begint met de ineenstorting van zijn kern, wanneer de massa van ijzer gesynthetiseerd uit de fusie van lichtere kernen een kritieke drempel van 1,4 Msun nadert, d.w.z. 40% massiever dan onze zon.

In minder dan een halve seconde stort de ijzeren kern in vanuit een straal van ongeveer 1500 km tot enkele tientallen kilometers en bereikt een nieuwe equilibrium waar de zwaartekracht wordt gecompenseerd door de sterke interactie tussen neutronen: een zware regen van ijzeren kernen die  een tiende van de lichtsnelheid bereiken wordt abrupt vertraagd over een bolvormige schokgolf, 150 km van het centrum.
De belangrijkste uitdaging van de supernova-theorie is het begrijpen van het mechanisme dat de ineenstorting transformeert in een explosie.

Voor verder informatie geeft Foglizzo in het artikel o.a. onderstaande lees- en kijktip;

– serie van 5 lezingen van Foglizzo;
http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_sstechnique.php?id_ast=2993&voir=4058

-Handbook of supernovae, Hfdst. ‘Explosion physics of Core-Collapse Supernova’door Foglizzo 2017, Ed.: Alsabti en Murdin 1-22.

Bron; De Physicus, februari 2018

 

 

 

 

Reacties

  1. “Ook illustreert hij aan de hand van de fontein wat de oorsprong is van de snelle rotatie van neutronensterren en hoe het kan dat neutronensterren tegengesteld roteren ten opzichte van hun oudersterren.”
    Nu wil ik het weten ook…. draait de rotatie as om?

  2. Angele van Oosterom zegt:

    Hoi Nico, ja, het ‘nu wil ik het weten ook’ gevoel herken ik wel, ik hoop dat onderstaand antwoord afdoende is;

    De supernova-fontein leert ons dat als het instromende water langzaam genoeg ronddraait, de spiraalvormige hydraulische sprong altijd prograde is en de binnenste delen van de stroom in de retrograde richting roteren. Ja, er kunnen tegengesteld draaiende neutronensterren bestaan.

    (Een hydraulische sprong is een fenomeen in de wetenschap van hydraulica dat vaak wordt waargenomen in open kanaalstroom zoals rivieren en overlaten. Wanneer vloeistof met hoge snelheid in een zone met lagere snelheid wordt uitgestoten, treedt een tamelijk abrupte stijging op in het vloeistofoppervlak. (overlaat is een doorgang voor overtollig water van een dam en uit wiki de uitleg van de ‘hydraulic jump’)

  3. Bedankt voor je respons @Angele, de vraag is nu of dit een theorie is of dat dit daadwerkelijk is aangetoond, bv met dopplershift, zoals men dat ook bij BH doet, (en dan liefst voor en na de collaps…) en of het dan de kale core betreft die tegengesteld draait t.o.v. de oorspronkelijke rotatie en/of de accretieschijf. Ik ben bang dat ik er nog even tijd voor nodig heb om deze vermeende analogie te doorgronden.

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.