Persbericht

Ontbrekende schakel gevonden: supernovae brengen zwarte gaten of neutronensterren voort

10 januari 2024

Astronomen hebben een direct verband gevonden tussen de explosieve dood van zware sterren en de vorming van de meest compacte en raadselachtige objecten in het heelal – zwarte gaten en neutronensterren. Met behulp van de Very Large Telescope (VLT) en de New Technology Telescope (NTT) van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) hebben twee teams de nasleep van een supernova-explosie in een nabijgelegen sterrenstelsel kunnen waarnemen, en bewijs gevonden voor het mysterieuze compacte object dat daarbij achterbleef.

Wanneer zware sterren het einde van hun leven bereiken, storten ze onder hun eigen zwaartekracht zo snel in dat er een enorme explosie volgt die bekendstaat als een supernova. Astronomen denken dat na de hectiek van de explosie de kern – het meest compacte restant van de ster – overblijft. Afhankelijk van hoeveel massa de ster had, zal dit ultra-dichte overblijfsel een neutronenster zijn – een object dat zo’n hoge dichtheid heeft dat een theelepel van zijn materiaal hier op aarde ongeveer een biljoen kilogram zou wegen – of een zwart gat – een object waaruit niets, zelfs geen licht, kan ontsnappen.

Astronomen hebben in het verleden al veel aanwijzingen gevonden die op deze keten van gebeurtenissen duiden, zoals de ontdekking van een neutronenster in de Krabnevel, een wolk van gas die is achtergebleven na de explosie van een ster, bijna duizend jaar geleden. Maar ze hadden dit proces nooit eerder in het echt zien gebeuren, wat betekent dat direct bewijs dat een supernova een compact overblijfsel achterlaat, moeilijk te vinden is. ‘In ons onderzoek hebben we zo’n direct verband gevonden,’ zegt Ping Chen, onderzoeker aan het Weizmann Institute of Science in Israël en hoofdauteur van een studie die vandaag in Nature is gepubliceerd en tijdens de 243e bijeenkomst van de American Astronomical Society in New Orleans (VS) is gepresenteerd.

De onderzoekers hadden de mazzel dat de Zuid-Afrikaanse amateur-astronoom Berto Monard in mei 2022 supernova SN 2022jli ontdekte in de spiraalarm van het sterrenstelsel NGC 157, dat slechts 75 miljoen lichtjaar van ons verwijderd is. Twee afzonderlijke onderzoeksteams richtten hun aandacht op de nasleep van deze explosie en ontdekten dat deze uniek gedrag vertoonde.

Na de explosie zien astronomen de helderheid van een supernova doorgaans gestaag afnemen, wat tot uiting komt in een geleidelijk dalende ‘lichtkromme’. Maar het gedrag van SN 2022jli is heel bijzonder: zijn helderheid gaat ongeveer om de twaalf dagen op en neer. ‘In de gegevens van SN 2022jli zien we een zich herhalende cyclus van oplichten en uitdoven’, zegt Thomas Moore, promovendus aan Queen’s University Belfast in Noord-Ierland, die leiding gaf aan een onderzoek van de supernova dat eind vorig jaar in Astrophysical Journal is gepubliceerd. ‘Het is voor het eerst dat gedurende vele cycli regelmatige helderheidsschommelingen in de lichtkromme van een supernova zijn gedetecteerd’, aldus Moore in zijn artikel.

De teams van Moore en Chen denken dat dit gedrag verklaarbaar is als er bij het SN 2022jli-systeem meer dan één ster betrokken is. Het is namelijk niet ongebruikelijk dat een zware ster een andere ster als begeleider heeft en daarmee een ‘dubbelster’ vormt. De ster die SN 2022jli veroorzaakte was daarop geen uitzondering. Opmerkelijk aan dit systeem is echter dat de begeleidende ster de gewelddadige dood van zijn partner lijkt te hebben overleefd, en dat de twee objecten – het compacte restant en de begeleider – waarschijnlijk om elkaar heen zijn blijven draaien.

Met de gegevens, onder meer verkregen door waarnemingen met ESO’s NTT in de Atacama-woestijn in Chili, kon het team van Moore niet exact vaststellen hoe de interactie tussen de beide objecten de pieken en dalen in de lichtkromme kon veroorzaken. Maar het team van Chen had aanvullende waarnemingen: het zag dezelfde regelmatige fluctuaties in het licht van het systeem als het team van Moore, maar daarnaast ook periodieke bewegingen van waterstofgas en uitbarstingen van gammastraling. Hun waarnemingen werden mogelijk gemaakt door een scala aan instrumenten op de grond en in de ruimte, waaronder X-shooter van ESO’s VLT, die eveneens in Chili staat opgesteld.

De twee teams zijn het er in grote lijnen over eens dat toen de begeleidende ster in aanraking kwam met het materiaal dat tijdens de supernova-explosie werd uitgestoten, zijn waterstofrijke atmosfeer verder opzwol dan normaal. Vervolgens slokte het compacte object elke keer dat het door de atmosfeer van de begeleider trok wat van diens waterstofgas op, waardoor het een schijf van hete materie om zich heen verzamelde. Bij dit periodiek optredende accretieproces kwam veel energie vrij, die tijdens de waarnemingen tot uiting kwam in regelmatige helderheidsveranderingen.

Hoewel de teams geen licht hebben kunnen waarnemen dat afkomstig was van het compacte object zelf, komen ze tot de conclusie dat alleen een onzichtbare neutronenster, of misschien een zwart gat, verantwoordelijk kan zijn geweest voor het opzuigen van gas uit de opgezwollen atmosfeer van de begeleidende ster. ‘Ons onderzoek is als het oplossen van een misdaad door alle mogelijke bewijzen te verzamelen,’ zegt Chen. ‘Alle puzzelstukjes tezamen leiden naar de waarheid.’

Nu de aanwezigheid van een zwart gat of neutronenster is bevestigd, is er nog veel te ontdekken aan dit raadselachtige systeem, zoals de precieze aard van het compacte object of het lot dat de dubbelster mogelijk te wachten staat. Telescopen van de volgende generatie, zoals ESO’s Extremely Large Telescope, die later dit decennium in gebruik wordt genomen, zullen hierbij kunnen helpen door ongekende details van dit unieke object vast te leggen.

Meer informatie

De resultaten van dit onderzoek zijn in twee artikelen gepubliceerd. Het team onder leiding van P. Chen publiceerde een artikel met de titel ‘A 12.4 day periodicity in a close binary system after a supernova’ in Nature (doi: 10.1038/s41586-023-06787-x).

Dit team bestaat uit P. Chen (Department of Particle Physics and Astrophysics, Weizmann Institute of Science, Israël [Weizmann Institute]), A. Gal-Yam (Weizmann Institute), J. Sollerman (The Oskar Klein Centre, Department of Astronomy, Stockholm University, Zweden [OKC DoA]), S. Schulze (The Oskar Klein Centre, Department of Physics, Stockholm University, Zweden [OKC DoP]), R.S. Post (Post Observatory, Lexington, VS), C. Liu (Department of Physics and Astronomy, Northwestern University, VS [Northwestern]; Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics, Northwestern University, VS [CIERA]), E.O. Ofek (Weizmann Institute), K.K. Das (Cahill Center for Astrophysics, California Institute of Technology, VS [Cahill Center]), C. Fremling (Caltech Optical Observatories, California Institute of Technology, VS [COO]; Division of Physics, Mathematics and Astronomy, California Institute of Technology, VS [PMA]), A. Horesh (Racah Institute of Physics, The Hebrew University of Jerusalem, Israël), B. Katz (Weizmann Institute), D. Kushnir (Weizmann Institute), M.M. Kasliwal (Cahill Center), S.R. Kulkarni (Cahill Center), D. Liu (South-Western Institute for Astronomy Research, Yunnan University, China [Yunnan]), X. Liu (Yunnan), A.A. Miller (Northwestern; CIERA), K. Rose (Sydney Institute for Astronomy, School of Physics, The University of Sydney, Australië), E. Waxman (Weizmann Institute), S. Yang (OKC DoA; Henan Academy of Sciences, China), Y. Yao (Cahill Center), B. Zackay (Weizmann Institute), E.C. Bellm (DIRAC Institute, Department of Astronomy, University of Washington, VS), R. Dekany (COO), A.J. Drake (PMA), Y. Fang (Yunnan), J.P.U. Fynbo (The Cosmic DAWN Center, Denmark; Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Denemarken), S.L. Groom (IPAC, California Institute of Technology, VS [IPAC]), G. Helou (IPAC), I. Irani (Weizmann Institute), T.J. du Laz (PMA), X. Liu (Yunnan), P. A. Mazzali (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, VK; Max-Planck-Institut für Astrophysik, Duitsland), J.D. Neill (PMA), Y.-J. Qin (PMA), R.L. Riddle (COO), A. Sharon (Weizmann Institute), N.L. Strotjohann (Weizmann Institute), A. Wold (IPAC), L. Yan (COO).

Het team onder leiding van T. Moore publiceerde een artikel met de titel ‘SN 2022jli: A Type 1c Supernova with Periodic Modulation of Its Light Curve and an Unusually Long Rise' in The Astrophysical Journal Letters (doi: 10.3847/2041-8213/acfc25).

Dit team bestaat uit T. Moore (Astrophysics Research Centre, Queenʼs University Belfast, VK [Queen’s]), S.J. Smartt (Queen’s; Department of Physics, University of Oxford, VK [Oxford]), M. Nicholl (Queen’s), S. Srivastav (Queen’s), H.F. Stevance (Oxford; Department of Physics, The University of Auckland, Nieuw-Zeeland), D.B. Jess (Queen’s; Department of Physics and Astronomy, California State University Northridge, VS), S.D.T. Grant (Queen’s), M.D. Fulton (Queen’s), L. Rhodes (Oxford), S.A. Sim (Queen’s), R. Hirai (OzGrav: The Australian Research Council Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery, Australië; School of Physics and Astronomy, Monash University, Australië), P. Podsiadlowski (University of Oxford, VK), J.P. Anderson (European Southern Observatory, Chili; Millennium Institute of Astrophysics MAS, Chili), C. Ashall (Department of Physics, Virginia Tech, VS), W. Bate (Queen’s), R. Fender (Oxford), C.P. Gutiérrez (Institut d’Estudis Espacials de Catalunya, Spanj [IEEC]; Institute of Space Sciences, Campus UAB, Spanje [ICE, CSIC]), D.A. Howell (Las Cumbres Observatory, VS [Las Cumbres]; Department of Physics, University of California, Santa Barbara, VS [UCSB]), M.E. Huber (Institute for Astronomy, University of Hawai’i, VS [Hawaï]), C. Inserra (Cardiff Hub for Astrophysics Research and Technology, Cardiff University, VK), G. Leloudas (DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, Denemarken), L.A.G. Monard (Kleinkaroo Observatory, Zuid-Afrika), T.E. Müller-Bravo (IEEC; ICE, CSIC), B.J. Shappee (Hawaï), K.W. Smith (Queen’s), G. Terreran (Las Cumbres), J. Tonry (Hawaï), M.A. Tucker (Department of Astronomy, The Ohio State University, VS; Department of Physics, The Ohio State University, VS; Center for Cosmology and Astroparticle Physics, The Ohio State University, VS), D.R. Young (Queen’s), A. Aamer (Queen’s; Institute for Gravitational Wave Astronomy, University of Birmingham, VK [IGWA]; School of Physics and Astronomy, University of Birmingham, VK [Birmingham]), T.-W. Chen (Graduate Institute of Astronomy, National Central University, Taiwan), F. Ragosta (INAF, Osservatorio Astronomico di Roma, Italië; Space Science Data Center–ASI, Italië), L. Galbany (IEEC; ICE, CSIC), M. Gromadzki (Astronomical Observatory, Universiteit van Warschau, Polen), L. Harvey (School of Physics, Trinity College Dublin, The University of Dublin, Ierland), P. Hoeflich (Department of Physics, Florida State University, VS), C. McCully (Las Cumbres), M. Newsome (Las Cumbres; UCSB), E.P. Gonzalez (Las Cumbres; UCSB), C. Pellegrino (Las Cumbres; UCSB), P. Ramsden (Birmingham; IGWA), M. Pérez-Torres (Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), Spanje; School of Sciences, European University Cyprus, Cyprus), E.J. Ridley (IGWA; Birmingham), X. Sheng (Queen’s), en J. Weston (Queen’s)

De Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) stelt wetenschappers van over de hele wereld in staat om de geheimen van het heelal te ontdekken, ten bate van iedereen. Wij ontwerpen, bouwen en exploiteren observatoria van wereldklasse die door astronomen worden gebruikt om spannende vragen te beantwoorden en de fascinatie voor astronomie te verspreiden, en bevorderen internationale samenwerking op het gebied van de astronomie. ESO, in 1962 opgericht als intergouvernementele organisatie, wordt inmiddels gedragen door 16 lidstaten (België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Ierland, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland) en door het gastland Chili, met Australië als strategische partner. Het hoofdkwartier van de ESO en haar bezoekerscentrum en planetarium, de ESO Supernova, zijn gevestigd nabij München in Duitsland, maar onze telescopen staan opgesteld in de Chileense Atacama-woestijn – een prachtige plek met unieke omstandigheden voor het doen van hemelwaarnemingen. ESO exploiteert drie waarnemingslocaties: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope en Very Large Telescope Interferometer, evenals surveytelescopen zoals VISTA. Ook zal ESO op Paranal de Cherenkov Telescope Array South huisvesten en exploiteren – ’s werelds grootste en gevoeligste observatorium van gammastraling. Samen met internationale partners beheert ESO APEX en ALMA op Chajnantor, twee faciliteiten die de hemel waarnemen in het millimeter- en submillimetergebied. Op Cerro Armazones, nabij Paranal, bouwen wij ‘het grootste oog ter wereld’ – ESO’s Extremely Large Telescope. Vanuit onze kantoren in Santiago, Chili, ondersteunen wij onze activiteiten in het gastland en werken wij samen met Chileense partners en de Chileense samenleving.

Links

• Artikel Chen et al
• Artikel Moore et al.
• Foto’s van de VLT 
• Foto’s van de NTT 
• Lees meer over ESO’s Extremely Large Telescope op onze speciale website en in de persmap
• Voor journalisten: abonneer je op onze persberichten onder embargo in je eigen taal
• Voor wetenschappers: heb je een verhaal? Promoot te onderzoek!

Contact

Ping Chen
Weizmann Institute of Science
Rehovot, Israel
Tel: +972 8 934 6512
E-mail: chen.ping@weizmann.ac.il

Thomas Moore
Queen’s University Belfast
Belfast, Northern Ireland, UK
E-mail: tmoore11@qub.ac.uk

Jesper Sollerman
Department of Astronomy, Stockholm University
Stockholm, Sweden
Tel: +46 8 5537 8554
E-mail: jesper@astro.su.se

Matt Nicholl
Queen’s University Belfast
Belfast, Northern Ireland, UK
E-mail: matt.nicholl@qub.ac.uk

Bárbara Ferreira
ESO Media Manager
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6670
Mobiel: +49 151 241 664 00
E-mail: press@eso.org

Marieke Baan (Perscontact Nederland)
ESO Science Outreach Network en NOVA Informatie Centrum
Tel: +31(0)20-5257480
E-mail: eson-netherlands@eso.org

Connect with ESO on social media