16 juni 2021

Georgia Tech bouwt ‘supernova-machine’

Om een beter inzicht te verkrijgen in de fysische processen die zich voordoen bij supernovae heeft een team astronomen van de Georgia University of Technology een heuse ‘supernova machine’ gebouwd. Een kleine 2,5 jaar nam het project in beslag, zie ook de video onder het artikel. Projectleider Davesh Ranjan stelt dat de supernova-machine astronomen kan helpen met het berekenen van de snelheden van gassen in nevels van supernova en bij een meer nauwkeurige bepaling van de geboorte van de sterren. Het wetenschappelijk artikel over het project verscheen recent in Astrophysical Journal Letters*.

Supernova? Credits: NASA.

Een supernova is het verschijnsel waarbij een ster op spectaculaire wijze explodeert, de sterren kunnen in korte tijd honderden miljoenen tot meer dan een miljard keer de lichtkracht van de zon bereiken. Zie AB* van Arie voor een mooi overzicht. Supernovae kunnen vele zonsmassa’s aan materiaal uitdrijven met snelheden tot enkele procenten van de lichtsnelheid. Dit resulteert in een uitdijende schokgolf in het omringende interstellaire medium, het wervelende gas en de materie vormt een nevel en het dichte object dat in het midden wordt gevormd, is een neutronenster of een zwart gat. De lagen van de ster die bij de explosie worden afgestoten, worden na enkele jaren voor telescopen zichtbaar als een zich uitbreidende nevelvlek, het supernovarestant. Het verschijnsel is zeldzaam, de afgelopen 2000 jaar zijn er zo’n 10 supernovae waargenomen.

supernova machine credits; Georgia Tech

Hoofdonderzoeker Davesh Ranjan stelt: “Aan de buitenkant hebben de gassen een lage dichtheid en aan de binnenkant een hoge dichtheid, en heel diep in de ster begint de dichtheid de gassen samen te drukken om ijzer te maken in de kern van de ster.” Ben  Musci, eerste auteur van de studie vult aan: “Na dit punt raakt de ster zonder nucleaire brandstof, dus de uitgaande kracht veroorzaakt door kernfusie stopt met het in evenwicht brengen van de inwaartse zwaartekracht. De extreme zwaartekracht doet de ster instorten.” In het midden van de ster is er een puntexplosie, de supernova. Het zendt een schokgolf uit met een snelheid van ongeveer een tiende van de lichtsnelheid die door de gassen raast, waardoor hun lagen in elkaar klemmen. Zwaarder gas in binnenlagen zet aan tot turbulente ontsluitingen in lichter gas in de buitenlagen. Dan, achter de schokgolf, daalt de druk, waardoor de gassen a.h.w. weer worden uitgerekt voor een ander soort turbulent mengen.” Het is een harde duw gevolgd door een langdurige trek of rek”, aldus Musci.

Het Georgia Tech team heeft getracht dit proces in de machine na te bootsen. De machine heeft de vorm van een pizzapunt waarvan het puntig uiteinde naar de grond gericht is. De machine is 1,8 m hoog, aan de bovenkant meet het 1,2 m en het geheel is zo dun als een deur. Een raam in het midden onthult een ruimte gevuld met gassen van verschillende dichtheden – de zwaardere gassen zakken naar de bodem van de machine, terwijl de lichtere boven blijven hangen. Dit bootst de verschillende gaslagen in een ster na. Om de supernova zelf te activeren, zit er een kleine container aan de onderkant van de machine, die ‘Research Department Explosive (RDX)’ genoemd wordt en pentaerythritoltetranitraat (PETN) bevat. Dit component produceert een miniatuurexplosie die schokgolven naar de top stuurt, en in het midden van de machine passeert de golf twee gaslagen, waardoor ze turbulent mengen in wervelingen gelijkend op die van supernovae. De gassen worden verlicht door een laserlicht. Het laserlicht verlicht de wervelingen en door het venster legt een hogesnelheidscamera met een close-up lens de gebeurtenis vast op centimeterschaal, deze data kunnen worden geëxtrapoleerd naar astronomische schalen.

Een timelapse van de gassen in de machine die mengen na de explosie credits; Georgia Tech

Devesh Ranjan stelt over het complexe staaltje ingenieurstechniek: “We gaan ineens van een perfect stilstaande toestand naar een kleine supernova. Er kwam veel ingenieus puzzelwerk aan te pas om de explosie in te dammen en tegelijkertijd realistisch te maken waar het gas raakt aan het visualisatievenster.” Het team heeft in de resultaten veel aandacht besteed aan achtergrondstraling, temperatuur en de zwaartekracht van de aarde. Ben Musci: “Ik bracht een jaar door met het wegwerken van zaken als een extra schokgolf die rondstuiterde in de kamer van de machine of lucht dat hieruit lekte. Ik moest er voor zorgen dat de zwaartekracht, achtergrondstraling en temperatuur de natuurkunde niet van de wijs brachten.”

Natuurlijk kan deze machine slechts een microkosmos van het echte werk bevatten. Bovendien zorgt de vorm van de machine alleen voor een tweedimensionale plak van een supernova – terwijl een supernova zich uitstrekt als een uitdijende driedimensionale bal. Toch zegt het team dat de supernova-machine astronomen kan helpen de snelheden van gassen te berekenen in nevels, en nauwkeuriger bepalen hoe lang geleden ze zijn geboren. Volgens het team zou het zelfs omgekeerd kunnen werken, de machine zou van nut kunnen zijn bij de ontwikkeling van kernfusiereactoren. Het onderzoek werd gefinancierd door het Fusion Energy Science-programma van het Amerikaanse Department of Energy. Musci is van plan samen te werken met het Lawrence Livermore National Laboratory om de gaspatronen van de machine te vergelijken met de werkelijke gegevens over supernovaresten. Bronnen: New Atlas / Georgia Tech

*https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab8f8f

**https://www.astroblogs.nl/2018/10/24/een-overzicht-van-de-verschillende-typen-supernovae-deel-ii/

Speak Your Mind

*

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