12 augustus 2020

Een zeldzaam soort supernova kan ons vertellen hoe groot stellaire zwarte gaten precies kunnen worden

De vermoedelijke wijze waarop de zwaartekrachtgolf GW170729 is ontstaan. Credits: Shing-Chi Leung et al./Kavli IPMU.

Astronomen hebben gebruik gemaakt van computersimulaties om te achterhalen hoe groot stellaire zwarte gaten precies kunnen worden. Aanleiding is de detectie van zwaartekrachtgolven die geproduceerd worden door het samensmelten van twee zwarte gaten. Bij één van deze gebeurtenissen (namelijk GW170729) is gebleken dat één van de zwarte gaten in kwestie een massa van ruim 50 zonnen gehad moet hebben alvorens te fuseren met een soortgenoot. Het was echter onduidelijk of één enkele ster zo’n object zou kunnen creëren.

Om dit te achterhalen hebben de onderzoekers gekeken naar het eindstadium in de evolutie van supermassieve sterren van circa 80 tot 130 zonnemassa’s, met name in nauwe binaire systemen. Dergelijke sterren zullen hun waterstofrijke envelop verliezen en heliumsterren worden van 40 tot 65 zonnemassa’s.

Artistieke impressie van een heliumster. Bedenk wel dat heliumsterren op allerlei manieren kunnen ontstaan en exemplaren van minder dan 40 zonnemassa’s géén Pair Instability Supernova zullen produceren. Credits: Sephirohq/CC BY 3.0.

Hierbij zal een zuurstofrijke kern geproduceerd worden, waarna de ster dynamische pulsaties zal gaan vertonen. Dat komt doordat de temperatuur in het inwendige hoog genoeg zal worden om fotonen spontaan te laten veranderen in paartjes van elektronen en positronen. Hierdoor wordt de kern instabiel en zal deze gaan instorten.

Uiteindelijk zal dan explosieve zuurstoffusie gaan plaatsvinden, waardoor de ster weer de kans krijgt om te expanderen. Een deel van de buitenlagen wordt hierbij afgestoten, terwijl de kern weer zal afkoelen en opnieuw zal gaan instorten. Een tweede fase van explosieve fusie is dan het resultaat, waarbij de ster wederom kan gaan uitdijen. Deze pulsaties zullen blijven plaatsvinden totdat het zuurstof geheel is verbruikt.

Het proces van een PPI-supernova. Credits: Shing-Chi Leung et al./Kavli IPMU.

Het eindresultaat van dit gehele proces zal een massieve ijzeren kern zijn, die vervolgens zal gaan instorten tot een zwart gat. Hierbij wordt een supernova-explosie veroorzaakt, de zogenaamde Pulsational Pair Instability Supernova (kortweg PPI-supernova). De computersimulaties hebben uitgewezen dat bij dit soort supernova’s de maximale massa van het gecreëerde zwarte gat zo’n 52 zonnemassa’s zal zijn. Dat komt dus mooi overeen met de waarnemingen.

Maar hoe zit het met sterren zwaarder dan 130 zonnemassa’s? Die zullen veranderen in heliumsterren van meer dan 65 zonnemassa’s, waarbij géén pulsaties het resultaat zullen zijn. In plaats daarvan vindt de explosieve fusie van zuurstof in één keer plaats, waarbij de ster op dusdanige wijze uit elkaar wordt getrokken dat er géén zwart gat (of ander restant) zal achterblijven. Dit zijn dan “normale” Pair Instability Supernova’s.

Een ietwat overdreven artistieke impressie van een Pair Instability Supernova.

Bij sterren van boven de 300 zonnemassa’s (volgens andere bronnen 250 zonnemassa’s) zal dan weer wél een zwart gat het eindstadium vormen en wel eentje van minimaal 150 zonnemassa’s, als gevolg van een zogenaamde “foto-desintegratie supernova”. Dat betekent dat er een “massagat” zal moeten bestaan tussen de 52 en 150 zonnemassa’s. Toekomstige waarnemingen zullen moeten uitwijzen of dat klopt.

Hoe dan ook, het zwarte gat dat betrokken is geweest bij de zwaartekrachtgolf GW170729 zal vermoedelijk ontstaan zijn door een PPI-supernova. De resultaten van het onderzoek laten ook zien dat het pulserende massaverlies een complexe en massieve “nevel” rondom de ster zal produceren. Als de ster dan supernova gaat, dan zal de schokgolf gaan inbeuken op dit uitgestoten materiaal, waarbij een zogenaamde “super-lumineuze supernova” het gevolg zal zijn.

Publicatie

Shing-Chi Leung, Ken’ichi Nomoto, Sergei Blinnikov ‘Pulsational Pair-instability Supernovae. I. Pre-collapse Evolution and Pulsational Mass Ejection‘, The Astrophysical Journal

Bron: Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe

Speak Your Mind

*

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