De grootste explosies in het heelal hebben enkele van de

De grootste explosies in het heelal hebben enkele van de elementen gemaakt waaruit wij bestaan. Maar er is nog een mysterieuze bron

Nasa/Swift/Cruz deWilde

Na de “geboorte” in de oerknal bestond het heelal voornamelijk uit waterstof en een paar heliumatomen. Dit zijn de lichtste elementen in het periodiek systeem. Min of meer alle elementen zwaarder dan helium werden geproduceerd in de 13,8 miljard jaar tussen de oerknal en het heden.

Sterren hebben veel van deze zwaardere elementen geproduceerd door het proces van kernfusie. Dit maakt echter alleen elementen zo zwaar als ijzer. Het maken van zwaardere elementen zou energie verbruiken in plaats van het vrij te maken.

Om de aanwezigheid van deze zwaardere elementen vandaag de dag te verklaren, is het nodig om verschijnselen te vinden die ze kunnen produceren. Eén soort gebeurtenis die daarvoor geschikt is, is een gammaflits (GRB) – de krachtigste explosieklasse in het heelal. Deze kunnen uitbarsten met een quintiljoen (10 gevolgd door 18 nullen) keer de lichtkracht van onze zon en worden vermoedelijk veroorzaakt door verschillende soorten gebeurtenissen.

GRB’s kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: lange uitbarstingen en korte uitbarstingen. Lange GRB’s worden geassocieerd met de dood van massieve en snel roterende sterren. Volgens deze theorie bundelt de snelle rotatie materiaal dat tijdens de ineenstorting van een massieve ster wordt uitgestoten in smalle jets die met extreem hoge snelheden bewegen.

JWST-spiegels

De James Webb Space Telescope heeft de nasleep van de ‘BOAT’ geobserveerd.
Emmett Given/Nasa/MSFC

De korte uitbarstingen duren slechts enkele seconden. Men denkt dat ze worden veroorzaakt door de botsing van twee neutronensterren – compacte en dichte “dode” sterren. In augustus 2017 hielp een belangrijke gebeurtenis om deze theorie te ondersteunen. Ligo en Virgo, twee detectoren van zwaartekrachtgolven in de VS, ontdekten een signaal dat afkomstig leek te zijn van twee neutronensterren die op weg waren naar een botsing.

Een paar seconden later werd vanuit dezelfde richting aan de hemel een korte gammastraaluitbarsting gedetecteerd, bekend als GRB 100817A. Een paar weken lang was vrijwel elke telescoop op aarde op deze gebeurtenis gericht in een ongekende poging om de nasleep ervan te bestuderen.

De waarnemingen onthulden een kilonova op de locatie van GRB 170817A. Een kilonova is een zwakkere neef van een supernova-explosie. Interessanter is dat er bewijs was dat er veel zware elementen werden geproduceerd tijdens de explosie. De auteurs van een onderzoek in Nature dat de explosie analyseerde, toonden aan dat deze kilonova twee verschillende categorieën puin, of ejecta, leek te produceren. De ene bestond voornamelijk uit lichte elementen, terwijl de andere uit zware elementen bestond.

We hebben al gezegd dat kernsplijting alleen elementen kan produceren die zo zwaar zijn als ijzer in het periodiek systeem. Maar er is een ander proces dat zou kunnen verklaren hoe de kilonova in staat was om nog zwaardere elementen te produceren.

Bij het snelle neutronenvangstproces, of r-proces, vangen de kernen (of kernen) van zwaardere elementen zoals ijzer in korte tijd veel neutronendeeltjes. Ze groeien dan snel in massa, waardoor veel zwaardere elementen ontstaan. Om r-processen te laten werken, heb je echter de juiste omstandigheden nodig: hoge dichtheid, hoge temperatuur en een groot aantal beschikbare vrije neutronen. Gammastraaluitbarstingen bieden toevallig deze noodzakelijke voorwaarden.

Fusies van twee neutronensterren, zoals die welke de kilonova GRB 170817A veroorzaakte, zijn echter zeer zeldzame gebeurtenissen. Ze zijn zelfs zo zeldzaam dat ze een onwaarschijnlijke bron zijn voor de overvloedige zware elementen die we in het heelal hebben. Maar hoe zit het met lange GRB’s?

GRB artist impression

Een straal van deeltjes doorboort een ster terwijl deze ineenstort in een zwart gat.
Nasa Goddard Ruimtevaartcentrum

In een recent onderzoek is één lange gammastraaluitbarsting in het bijzonder onderzocht, GRB 221009. Deze wordt de BOAT genoemd – de helderste aller tijden. Deze GRB werd opgepikt als een puls van intense straling die op 9 oktober 2022 door het zonnestelsel trok.

De BOAT leidde tot een soortgelijke astronomische waarnemingscampagne als de kilonova. Deze GRB was 10 keer energieker dan de vorige recordhouder, en zo dicht bij ons dat de invloed ervan op de aardatmosfeer op de grond meetbaar was en vergelijkbaar met een grote zonnestorm.

Onder de telescopen die de nasleep van de BOAT bestudeerden was de James Webb Space Telescope (JWST). Deze observeerde de GRB ongeveer zes maanden nadat deze was geëxplodeerd, om niet verblind te worden door de nagloed van de initiële uitbarsting. Uit de gegevens die JWST verzamelde, bleek dat de gebeurtenis, ondanks zijn buitengewone helderheid, werd veroorzaakt door een gewone supernova-explosie.

Eerdere waarnemingen van andere lange GRB’s wezen uit dat er geen correlatie is tussen de helderheid van de GRB en de grootte van de bijbehorende supernova-explosie. De BOAT lijkt geen uitzondering.

Het JWST-team leidde ook het aantal zware elementen af dat tijdens de BOAT-explosie werd geproduceerd. Ze vonden geen aanwijzingen voor elementen die zijn geproduceerd door het r-proces. Dit is verrassend omdat theoretisch wordt aangenomen dat de helderheid van een lange GRB samenhangt met de omstandigheden in de kern, waarschijnlijk een zwart gat. Voor zeer heldere gebeurtenissen – vooral als ze zo extreem zijn als de BOAT – zouden de omstandigheden goed moeten zijn voor het r-proces.

Deze bevindingen suggereren dat gammastraaluitbarstingen misschien niet de gehoopte cruciale bron zijn van de zware elementen in het heelal. In plaats daarvan moet er nog een bron of bronnen zijn.

De conversatie

Robert Brose werkt niet voor, heeft geen adviesfuncties, bezit geen aandelen in en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat hebben bij dit artikel en heeft geen relevante banden buiten zijn academische aanstelling bekendgemaakt.

Ubergeek Loves Coolblue

Zou je na het lezen van deze artikel een product willen aanschaffen?
Bezoek dan Coolblue en ontdek hun uitgebreide assortiment.