Wat de lampen aanstak waarmee de mensheid het universum kon meten

Elk jaar rond 1.000 Type Ia supernova’s barsten uit in de lucht. Deze stellaire explosies lichten op en vervagen vervolgens in een patroon dat zo herhaalbaar is dat ze worden gebruikt als “standaardkaarsen” – objecten die zo uniform helder zijn dat astronomen de afstand tot een van hen kunnen afleiden uit het uiterlijk.

Ons begrip van de kosmos is gebaseerd op deze standaardkaarsen. Overweeg twee van de grootste mysteries in de kosmologie: wat is de expansiesnelheid van het universum? En waarom versnelt dat expansietempo? Pogingen om beide kwesties te begrijpen, zijn in belangrijke mate afhankelijk van afstandsmetingen die zijn uitgevoerd met behulp van Type Ia-supernova’s.

Toch begrijpen onderzoekers niet helemaal wat deze vreemd uniforme explosies veroorzaakt – een onzekerheid die theoretici zorgen baart. Als er meerdere manieren zijn waarop ze kunnen gebeuren, kunnen kleine inconsistenties in hoe ze verschijnen onze kosmische metingen corrumperen.

In de afgelopen tien jaar is er steun ontstaan ​​voor een bepaald verhaal over wat Type Ia supernova’s veroorzaakt – een verhaal dat elke explosie herleidt tot een paar vage sterren die witte dwergen worden genoemd. Nu hebben onderzoekers voor het eerst met succes een Type Ia-explosie nagebootst in computersimulaties van het scenario met de dubbele witte dwerg, waardoor de theorie een kritische impuls kreeg. Maar de simulaties leverden ook enkele verrassingen op, waaruit bleek hoeveel meer we nog te weten moeten komen over de motor achter enkele van de belangrijkste explosies in het universum.

Een dwerg tot ontploffing brengen

Om een ​​object als standaardkaars te laten dienen, moeten astronomen de inherente helderheid of helderheid kennen. Ze kunnen dat vergelijken met hoe helder (of zwak) het object aan de hemel verschijnt om de afstand te bepalen.

In 1993 bracht de astronoom Mark Phillips uit hoe de helderheid van Type Ia supernova’s in de loop van de tijd verandert. Cruciaal is dat bijna alle Type Ia supernova’s deze curve volgen, bekend als de Phillips-relatie. Deze consistentie – samen met de extreme helderheid van deze explosies, die miljarden lichtjaren verwijderd zijn – maakt ze tot de krachtigste standaardkaarsen die astronomen hebben. Maar wat is de reden voor hun consistentie?

Een hint komt van het onwaarschijnlijke element nikkel. Wanneer een Type Ia supernova aan de hemel verschijnt, detecteren astronomen radioactief nikkel-56 dat naar buiten stroomt. En ze weten dat nikkel-56 afkomstig is van witte dwergen – vage, uitgedoofde sterren die alleen een dichte kern van koolstof en zuurstof ter grootte van de aarde bevatten, omhuld door een laag helium. Toch zijn deze witte dwergen inert; supernova’s zijn allesbehalve. De puzzel is hoe je van de ene staat in de andere komt. “Er is nog steeds geen duidelijk ‘Hoe doe je dit?'”, zegt Lars Bildsten, een astrofysicus en directeur van het Kavli Institute for Theoretical Physics in Santa Barbara, Californië, die gespecialiseerd is in Type Ia supernova’s. “Hoe krijg je het om te ontploffen?”

Tot ongeveer 10 jaar geleden was de heersende theorie dat een witte dwerg gas uit een nabije ster overhevelde totdat de dwerg een kritieke massa had bereikt. De kern zou dan heet en dicht genoeg worden om een ​​op hol geslagen nucleaire reactie op gang te brengen en tot een supernova te ontploffen.

In 2011 werd de theorie omvergeworpen. SN 2011fe, de dichtstbijzijnde Type Ia die in decennia is gevonden, werd zo vroeg in zijn explosie ontdekt dat astronomen de kans kregen om naar een begeleidende ster te zoeken. Geen werd gezien.

Onderzoekers verlegden hun interesse naar een nieuwe theorie, het zogenaamde D6-scenario – een acroniem dat staat voor de tongbreker “dynamisch aangedreven dubbele gedegenereerde dubbele ontploffing”, bedacht door Ken Shen, een astrofysicus aan de University of California, Berkeley. Het D6-scenario stelt voor dat een witte dwerg een andere witte dwerg in de val lokt en zijn helium steelt, een proces waarbij zoveel warmte vrijkomt dat het kernfusie veroorzaakt in de heliumschil van de eerste dwerg. Het samensmeltende helium stuurt een schokgolf diep in de kern van de dwerg. Het ontploft dan.