Sterren exploderen in stoffige sterrenstelsels – we kunnen ze niet altijd zien

Exploderende sterren zorgen voor spannende lichtshows. Infraroodtelescopen zoals Spitzer kunnen door de waas heen kijken en geven een beter beeld van hoe vaak deze uitbarstingen voorkomen.

Je zou denken dat supernova’s – de doodsstrijd van massieve sterren en een van de helderste en krachtigste explosies in het universum – moeilijk te missen zouden zijn. Het aantal van dergelijke explosies dat in de meest afgelegen delen van het universum wordt waargenomen, is echter veel lager dan de verwachtingen van astrofysici.

Nieuw onderzoek met gegevens van NASADe gepensioneerde Spitzer Space Telescope meldde onlangs de ontdekking van vijf supernova’s die nog nooit eerder waren gezien, onopgemerkt in optisch licht. Spitzer zag het universum in infrarood licht, dat door stofwolken dringt die optisch licht blokkeren – het soort licht dat onze ogen zien en dat onbelemmerde supernova’s het helderst uitstralen.

Om naar verborgen supernova’s te zoeken, bestudeerden onderzoekers Spitzer-waarnemingen van 40 stoffige sterrenstelsels. (In de ruimte verwijst stof naar korrelachtige deeltjes met een textuur die lijkt op rook.) Op basis van het aantal dat ze in deze sterrenstelsels vonden, bevestigt de studie dat supernova’s inderdaad zo vaak voorkomen als wetenschappers verwachten. Deze voorspelling is gebaseerd op het huidige begrip van wetenschappers over hoe sterren evolueren. Studies als deze zijn nodig om dit inzicht te verbeteren, hetzij door bepaalde aspecten ervan te versterken of uit te dagen.

Download deze gratis NASA-poster, die de gepensioneerde Spitzer Space Telescope herdenkt. Krediet: NASA/JPL-Caltech

“Deze resultaten met Spitzer laten zien dat de optische onderzoeken waarop we lange tijd hebben vertrouwd om supernova’s te detecteren, maar liefst de helft van de starbursts missen die daar in het universum plaatsvinden”, zegt Ori Fox, een wetenschapper bij het Space Telescope Science Institute. in Baltimore. Maryland, en hoofdauteur van de nieuwe studie, die werd gepubliceerd in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. “Het is heel goed nieuws dat het aantal supernova’s dat we met Spitzer zien statistisch consistent is met theoretische voorspellingen.”

De “supernova-paradox” – de discrepantie tussen het aantal voorspelde supernova’s en het aantal waargenomen door optische telescopen – is geen probleem in het nabije heelal. Daar hebben sterrenstelsels het tempo van de stervorming vertraagd en zijn ze over het algemeen minder stoffig. In de buitenste regionen van het heelal lijken sterrenstelsels echter jonger, produceren ze sneller sterren en hebben ze meestal grotere hoeveelheden stof. Dit stof absorbeert en verstrooit optisch en ultraviolet licht, waardoor het de telescopen niet kan bereiken. Dus onderzoekers hebben lang beredeneerd dat ontbrekende supernova’s moeten bestaan ​​en onzichtbaar moeten zijn.

“Omdat het lokale universum een ​​beetje is afgekoeld sinds de eerste jaren van stervorming, zien we het verwachte aantal supernova’s met typische optische zoekopdrachten”, zei Fox. “De snelheid van waargenomen supernova-detectie neemt echter af naarmate je verder gaat en gaat terug naar kosmische tijdperken toen de stoffigste sterrenstelsels overheersten.”

Het detecteren van supernova’s op zulke grote afstanden kan een uitdaging zijn. Om op zoek te gaan naar supernova’s die worden omringd door mysterieuze galactische werelden, maar op minder extreme afstanden, selecteerde het team van Fox een lokale groep van 40 door stof verstikte sterrenstelsels, bekend als lichtgevende en ultralichtgevende infraroodstelsels (respectievelijk LIRG’s en ULIRG’s). Stof in LIRG’s en ULIRG’s absorbeert optisch licht van objecten zoals supernova’s, maar laat infraroodstraling van dezelfde objecten ongehinderd passeren totdat telescopen zoals Spitzer het kunnen detecteren.

Het vermoeden van de onderzoekers bleek juist toen de vijf nooit eerder vertoonde supernova’s in (infrarood) licht verschenen. “Het is een bewijs van Spitzer’s ontdekkingspotentieel dat de telescoop in staat was om het subtiele supernovasignaal van deze stoffige sterrenstelsels op te vangen,” zei Fox.

Studie co-auteur Alex Filippenko, hoogleraar astronomie bij Universiteit van California, Berkeley. “Ze hielpen bij het beantwoorden van de vraag: ‘Waar zijn alle supernova’s gebleven?’ “

De soorten supernova’s die Spitzer ontdekte, staan ​​bekend als ‘basische ineenstortingssupernova’s’, waaronder reuzensterren met een massa van ten minste acht keer de massa van de zon. Naarmate ze ouder worden en hun kernen gevuld raken met ijzer, kunnen grote sterren niet langer genoeg energie produceren om hun zwaartekracht te weerstaan, en hun kernen storten plotseling en catastrofaal in.

De intense drukken en temperaturen die tijdens het snel afkalven worden gegenereerd, vormen via kernfusie nieuwe chemische elementen. Ingestorte sterren stuiteren uiteindelijk van hun superdichte kernen, blazen zichzelf op in kleine stukjes en verspreiden die elementen door de ruimte. Supernova’s produceren “zware” elementen, zoals de meeste metalen. Deze elementen zijn essentieel voor de constructie van rotsachtige planeten, zoals de aarde, en voor biologische organismen. Over het algemeen zijn supernovasnelheden een belangrijk onderzoek naar stervormingsmodellen en de vorming van zware elementen in het universum.

“Als je een indicatie hebt van hoeveel sterren zich vormen, kun je voorspellen hoeveel er zullen exploderen”, zei Fox. “Of, omgekeerd, als je een indicatie hebt van hoeveel sterren exploderen, kun je voorspellen hoeveel sterren zich vormen. Het begrijpen van deze relatie is van cruciaal belang voor veel studiegebieden in de astrofysica.”

Telescopen van de volgende generatie, waaronder NASA’s Roman Nancy Grace Space Telescope en de James Webb Space Telescope, zullen infrarood licht detecteren, zoals Spitzer.

“Onze studie toonde aan dat stervormingsmodellen meer consistent zijn met supernovasnelheden dan eerder werd gedacht,” zei Fox. “En door deze verborgen supernova’s te onthullen, maakte Spitzer de weg vrij voor nieuwe soorten ontdekkingen met Webb en Romeinse ruimtetelescopen.”

Referentie: “A Spitzer Een overzicht van door stof verduisterde supernovae” door Uri de Vox, Harish Khandrika, David Rubin, Chadwick Casper, Gary Z Lee, Tamas Szalay, Lee Armos, Alexei V. Filipenko, Michael F. Skrutsky, Lou Stulger en Schuyler de Van Dyck, 21 juni 2021 en Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stab1740

Meer over de missie

NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië heeft missieoperaties uitgevoerd en voerde het bevel over de Spitzer Space Telescope-missie voor het Science Mission Directorate van het bureau in Washington. Wetenschappelijke operaties werden uitgevoerd in het Spitzer Science Center van het California Institute of Technology in Pasadena. Ruimtevaartuigoperaties waren gebaseerd op Lockheed Martin Space in Littleton, Colorado. De gegevens worden gearchiveerd in het Infrared Science Archive bij IPAC van het California Institute of Technology. Caltech draait Jet Propulsion Laboratory naar Nasa.