Analyse van een zeldzame, oude ster suggereert een nieuwe geboorteplaats voor elementen als uranium en zilver
Gewelddadige explosies van massieve, gemagnetiseerde sterren kunnen de meeste zware elementen van het universum smeden, zoals zilver en uranium.
Deze r-proceselementen, die de helft van alle elementen bevatten die zwaarder zijn dan ijzer, worden ook geproduceerd wanneer neutronensterren samensmelten (SN: 16/10/17). Maar botsingen van die dode sterren alleen kunnen niet alle r-proceselementen vormen die in het universum worden gezien. Nu hebben wetenschappers een soort energetische supernova vastgesteld, genaamd een magnetorotationele hypernova als een andere potentiële geboorteplaats van deze elementen.
De resultaten, beschreven op 7 juli in Natuur, komen voort uit de ontdekking van een oudere rode reuzenster – mogelijk 13 miljard jaar oud – in de buitenste regionen van de Melkweg. Door de elementaire samenstelling van de ster te analyseren, die lijkt op het genetische instructieboek van een ster, tuurden astronomen terug in de familiegeschiedenis van de ster. Vierenveertig verschillende elementen die in de ster te zien zijn, suggereren dat hij is gevormd uit materiaal dat is overgebleven “door een speciale explosie van één massieve ster kort na de oerknal”, zegt astronoom David Yong van de Australian National University in Canberra.
De elementen van de oude ster zijn niet van de overblijfselen van een fusie van neutronensterren, zeggen Yong en zijn collega’s. De abundanties van bepaalde zware elementen zoals thorium en uranium waren hoger dan zou worden verwacht van een fusie van neutronensterren. Bovendien bevat de ster ook lichtere elementen zoals zink en stikstof, die door die fusies niet kunnen worden geproduceerd. En aangezien de ster een extreem tekort aan ijzer heeft – een element dat zich opbouwt gedurende vele sterfgevallen en sterfgevallen – denken de wetenschappers dat de rode reus een ster van de tweede generatie is waarvan de zware elementen allemaal afkomstig waren van een eerdere supernova-achtige gebeurtenis.
Simulaties suggereren dat de gebeurtenis een magnetorotationele hypernova was, gecreëerd in de dood van een snel draaiende, sterk gemagnetiseerde ster van minstens 25 keer de massa van de zon. Wanneer deze sterren aan het einde van hun leven exploderen als een opgevoerd type supernova, kunnen ze de energetische, neutronenrijke omgevingen hebben die nodig zijn om zware elementen te smeden.
Magnetorotationele hypernova’s kunnen lijken op collapsars – massieve, draaiende sterren die instorten in zwarte gaten in plaats van te exploderen. Collapsars zijn eerder ook voorgesteld als geboorteplaatsen van r-proceselementen (SN: 5/8/19).
De onderzoekers denken dat magnetorotationele hypernova’s zeldzaam zijn en slechts 1 op de 1000 supernova’s vormen. Toch zouden dergelijke explosies tien keer zo vaak voorkomen als het samensmelten van neutronensterren tegenwoordig, en zouden ze vergelijkbare hoeveelheden zware elementen per gebeurtenis produceren. Samen met hun minder energieke tegenhangers, magnetorotationele supernova’s genoemd, zouden deze hypernova’s verantwoordelijk kunnen zijn voor het creëren van 90 procent van alle r-proceselementen, berekenen de onderzoekers. In het vroege heelal, toen massieve, snel roterende sterren vaker voorkwamen, hadden dergelijke explosies nog meer invloed kunnen hebben.
De waarnemingen zijn indrukwekkend, zegt Stan Woosley, een astrofysicus aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, die niet betrokken was bij de nieuwe studie. Maar “er is geen bewijs dat de [elemental] overvloed in deze metaal-deficiënte ster werden gemaakt in een enkele gebeurtenis. Het had er een kunnen zijn. Het hadden er 10 kunnen zijn.” Een van die gebeurtenissen zou zelfs een fusie van neutronensterren kunnen zijn, zegt hij.
De wetenschappers hopen meer sterren te vinden, zoals de oudere rode reus, die zou kunnen onthullen hoe frequent magnetorotationele hypernova’s zijn. Voorlopig blijft de nieuw geanalyseerde ster “ongelooflijk zeldzaam en toont de noodzaak aan van … grote onderzoeken om dergelijke objecten te vinden”, zegt Yong.