sciencetalk

"Volgend jaar verschijnt er een supernova." Dat is een op het eerste oog bizarre voorspelling.

 

Supernovae, de doodsflitsen van zeer zware sterren, laten zich immers totaal niet nauwkeurig voorspellen. De meest bekende supernova 'in de maak' is Betelgeuze. Deze oranje reuzenster in het sterrenbeeld Orion staat letterlijk op springen, maar wanneer dat gebeurt is de vraag. Ergens tussen nu en een miljoen jaar is de huidige schatting.

 
Het sterrenbeeld Orion met de heldere ster Betelgeuze.

Dan zal Betelgeuze gedurende enkele maanden helderder zijn dan de volle maan, ondanks de enorme afstand van 600 lichtjaar. Het is dus helemaal niet mogelijk het tijdstip van zo'n cataclysmisch gebeuren nauwkeurig vast te stellen,.

 

De enorme lichtsterkte van een supernova houdt echter in dat ze op zeer grote afstand waargenomen kan worden, en gedurende de lange reis van het licht kunnen er zich omstandigheden voordoen die het mogelijk maken een supernova 'in de herhaling' op een jaar nauwkeurig te voorspellen. Dat zit als volgt:

 
MACS J1149.6+2223 met (inzet) Einsteinkruis.
Bron: Nasa/Hubble. Klik voor grote afbeelding.

 

In november 2014 werd in een Hubble opname van het sterrenstelselcluster MACS J1149.6+2223 een Einsteinkruis waargenomen. Vier stippen rond een zwaar sterrenstelsel, het cluster bevat veel van deze zware stelsels. De vier stippen bleken verschillende afbeeldingen te zijn van dezelfde supernova. Hij is Refsdal genoemd, naar Sjur Refsdal die in 1964 als eerste voorstelde gravitatielenzen te gebruiken om supernovae en de expansie van het heelal te bestuderen. En vorig jaar is dan eindelijk en voor het eerst zo'n tot een Einsteinkruis vervormde supernova waargenomen. De supernova zelf bevindt zich in de spiraalarmen van een sterrenstelsel op 9,3 miljard jaar afstand. Het lichtpad door de ruimtetijd is verbogen door de massa van een voorgrondsterrenstelsel dat op een afstand van 5 miljard lichtjaar staat. De algemene relativiteitstheorie voorspelt deze verbuigingen, massa dicteert immers hoe de ruimtetijd zich kromt en ook het licht heeft die kromming maar te volgen. Meer informatie over het ontstaan van een Einsteinkruis in dit topic.

 
Einsteinkruis. Het beeld van een achterliggend object wordt door de grote massa van een sterrenstelsel rond het stelsel gebogen en komt vier keer bij de Aarde aan.

 
Het achterliggende stelsel ontdaan van vervormingen agv de voorliggende massa.
De vier punten van het Einsteinkruis vallen nu samen.
Bron: Sharon et al.

 

In februari dit jaar plaatsten de kosmologe Keren Sharon en haar collega's een paper op de pre-publicatiesite Arxiv met detailwaarnemingen aan het cluster. Ze hebben aan de hand van de gemeten vervormingen van de beelden van sterrenstelsels een model gemaakt van de massaverdeling binnen het cluster en zo onder meer bepaald wat de juiste vorm van het sterrenstelsel op de achtergrond moet zijn zonder de door het zware stelsel op de voorgrond veroorzaakte vervormingen. Zo bepaalden ze dat de supernova zich in een van de armen in de buitengebieden van het achtergrondstelsel moest bevinden.

 

Nadere analyse van de opname en de massaverdeling van meerdere zware stelsels in het cluster op de voorgrond bracht aan het licht, dat het sterrenstelsel waarin de supernova optrad ten minste drie keer op verschillende plaatsen in de Hubble opname zichtbaar is:

 
De drie afbeeldingen van het achterliggende sterrenstelsel. Bron: Nasa/Spitzer. Klik voor grote afbeelding.
De lichtpaden van het achterliggende stelsel omgebogen door drie massaconcentraties in het cluster. Bron: Nasa. Klik voor grote afbeelding.

 

De lichtpaden van de drie afbeeldingen hebben verschillende lengten, en dus verschilt het aankomsttijdstip van het licht van de supernova. Door dit effect kan een supernova dus meerdere keren gezien worden.

 
De massaverdeling binnen het cluster, en het Eisteinkruis (4 zwarte sterren)
Verder de voorspelling van de locaties (de andere zwarte sterren) waar de supernova later te zien zou moeten zijn.
Bron: Sharon et al. Klik voor grote afbeelding.

 

De wetenschappers berekenden niet alleen de plaats waarop de supernova te zien zou zijn, maar ook het aankomsttijdstip. Berekeningen van de wetenschappers o.l.v. Sharon, maar ook die van andere kosmologen kwamen uit op een tweede verschijning ergens begin 2016:

 

Sharon:

We then present the model predictions for the other appearances of SN "Refsdal." A future image will reach its peak in the first half of 2016... The future image should be approximately one third as bright as the brightest known image... We will find out soon whether our predictions are correct.

 

Supernova Refsdal represents a rare opportunity to make a true blind test of model predictions in extragalactic astronomy, on a time scale that is short compared to a human lifetime.

 

 
Lo and behold!

Op 10 december maakte Hubble een nieuwe opname van het cluster en vrijwel op de voorspelde plaats, binnen de voorspelde tijdsmarge en met de voorspelde helderheid is inderdaad supernova Refsdal 'op bestelling' verschenen! Het is maar een miezerig stipje, maar een eclatant succes voor de wetenschappers.

 
De waarneming van 10 december als inzet in een opname van het cluster.
Klik voor grote afbeelding.

 

En niet alleen blijken de berekeningen te kloppen, ook het onderliggende ΛCDM model (klik) van het heelal met een verdeling van 4% zichtbare, 26% donkere materie en 70% donkere energie dat mede aan de basis van de berekeningen ligt blijkt vooralsnog correct te werken. De verwachting is dat dit soort waarnemingen ons ook meer inzicht kunnen geven in de feitelijke expansiesnelheid van het heelal op diverse afstanden.

 

Wetenschappelijk paper: Link naar ander wetenschappelijk paper: klik

De details gaan natuurlijk ver boven mijn pet, maar super mooi om te zien dat de wetenschap zo ver is dat ze met modellen ver beyond the standard model verifieerbare voorspellingen kan maken die nog uitkomen ook. Dit helpt natuurlijk ook verdere theorie-ontwikkelaars indien zij erop kunnen vertrouwen dat de huidige empirische modellen (als ik het Λ Cold Dark Matter model zo mag noemen) het universum correct beschrijven.

Hoogst interessant. De technische uitleg gaat ook mij boven mijn pet, maar ik lees dit alles wel met veel belangstelling.

Als jullie vragen hebben stel ze dan.
Ik zal met plezier trachten nader toe te lichten.

Waarschijnlijk een paar heel domme vragen, Michel: uit je uitleg begrijp ik dat een Einsteinkruis het afbuigen van het licht van een object dat zich achter een sterrenstelsel bevindt, zodat het op aarde lijkt alsof er op vier punten licht naar de aarde wordt gestraald. Waarom juist op vier punten en niet rondom? Is dat achterliggende object dan de supernova die zelf niet zichtbaar is of is de supernova juist het voorliggende sterrenstelsel?
 
Sorry als ik me als een echte alpha gedraag.

Nou alfa of niet, ik vind het uitstekende vragen.

 

Rondom komt ook voor. Stel je een bolvormig sterrenstelsel voor dat zich precies tussen jouw oog en een supernova in de verre achtergrond bevindt. Het licht van die nova passeert de bol, en de zwaartekracht van die bol buigt het licht evenveel. Een ring van licht in jouw oog is het gevolg, een Einsteinring:

 
 

Sterrenstelsels zijn zelden perfect rond en hun massa (het is de massa die de ruimte en het licht buigt) is ook niet overal even groot. Vaak zie je dan onderbroken cirkels:

 
 

Hierboven van die cirkelbogen, en met wat fantasie zie je in iedere boog een sterk vervormd, afgeplat en kromgebogen sterrenstelsel. Dat is dat stelsel op de achtergrond, en waarschijnlijk zie je het in deze opname meerdere keren.

 

Maar de sterrenstelsels op de voorgrond zijn meestal niet mooi rond, en je ziet ze vaak ook nog eens onder een hoek. Dan kan het gebeuren dat slechts twee lichtbanen in je oog terecht komen, zoals in deze schets:

 
 

Als het sterrenstelsel op de voorgrond zó staat dat er vier banen licht in je oog komen krijg je een Einsteinkruis te zien:

 
 

De twee blauwe lichtbanen boven en onder missen de Aarde, en komen pas bij punt b bij elkaar. Het licht wordt hier minder sterk afgebogen. De twee blauwe lijnen in het midden missen de Aarde ook, ze komen samen in a. Het licht is hier juist te sterk afgebogen. De vier rode banen worden allemaal even sterk afgebogen en komen op één punt uit.

 

Staat daar toevallig de Aarde, dan zien we een kruis. Het licht komt nu immers uit vier verschillende richtingen en trek je die kijkrichting door (de streeplijnen) dan zie je de nova (vaak vergroot) vier keer staan.

 

Waarom nu vier keer?

 
 

Hierboven kijk je tegen een elliptisch sterrenstelsel aan (of een sterrenstelsel gedeeltelijk op zijn kant gezien), en er achter ligt de nova. Het licht dat in het noorden en het zuiden passeert is redelijk ver van de kern k van het stelsel verwijderd en zal dus niet zoveel verbogen worden. Ze missen de Aarde en komen pas er achter bij elkaar (zie punt b vorige plaatje). Het licht dat in het westen en oosten passeert, schiet vrij rakelings langs de zware kern, en wordt sterk naar binnen gebogen. Ook dit licht mist de Aarde, want het komt te vroeg samen (punt a van het vorige plaatje).  De pijltjes in het schetsje stellen de hoeveelheid lichtafbuiging voor en of deze te zwak (naar buiten, naar punt b) of te sterk (naar binnen, naar punt a) is.

 

Als het licht links en rechts teveel en boven en onder te weinig afbuigt, dan moeten er plaatsen daartussen zijn waar het licht precies genoeg afbuigt, de 4 rode cirkeltjes, het Einsteinkruis.

 

De supernova ligt dus altijd achter het vervormende stelsel. Net schreef ik al dat het beeld vaak vergroot is, en vaak is het ook versterkt zoals je in dit artikeltje kunt lezen.

 

Is het zo duidelijker?

Zijn al die "vlekjes" op de foto's sterrenstelsels vergelijkbaar met onze Melkweg?

Ja. Op de eerste afbeelding van het cluster zijn slechts 4 sterren zichtbaar, die staan natuurlijk in onze Melkweg. De rest zijn allemaal sterrenstelsels, wel iha een stuk jonger dan de Melkweg vanwege de reisduur van 5 miljard jaar voor het licht.

Bestaat er ook een "stelsel van sterrenstelsels" dat zo ver weg staat dat wij het als één zo'n vlekje zien?

Nee, een heel gemiddeld cluster heeft een doorsnede van ongeveer 15 miljoen lichtjaar. Zelfs op een afstand van 13 miljard lichtjaar is dat nog vrij groot. Onze Melkweg zou op die afstand nog groter zijn dan een boogseconde.

Dank je wel, het is al een stuk duidelijker. En als ik het dus goed begrijp is een dergelijke nova niet rechtstreeks zichtbaar voor ons, wij kunnen dit alleen afleiden uit het feit dat het licht afgebogen wordt.


Zijn er überhaupt supernova's die wel rechtstreeks zichtbaar zijn (geweest)? Zal Betelgeuze te zien zijn? Uit jouw openingspost begrijp ik dat dat wel het geval zal zijn.

Zijn er überhaupt supernova's die wel rechtstreeks zichtbaar zijn (geweest)? Zal Betelgeuze te zien zijn?

 
Ja. Om een supernova met het blote oog te kunnen zien mag hij niet te ver weg staan. Supernovae in ons eigen melkwegstelsel zijn (als er geen gas/stofwolken voor zitten) meestal goed te zien, maar komen slechts eens in de pakweg 100 jaar voor. Er zijn in de geschiedenis een aantal zichtbare explosies vastgelegd. Zo meldden de Chinezen een zeer heldere supernova in het jaar 185, en ook in 1006 en 1054. In 1572 en 1604 was het weer raak. Tycho Brahe was een van de weinigen die in zijn leven 2 SN's observeerde terwijl die van 1604 ook door de beroemde Johannes Kepler werd beschreven. Dit was tevens de laatste SN die met het blote oog is waargenomen. Van deze explosies zijn de indrukwekkende restanten nog steeds zichtbaar met telescopen:

 
SN185 (Book of Han), 1006 (Songshi), 1054 (Song Huiyao), 1572 (Tycho) en 1604 (Kepler).

 

SN's in het hele heelal zijn niet zeldzaam, maar alleen met zware telescopen waar te nemen. Als we uitgaan van 100 miljard sterrenstelsels met daarin iedere 100 jaar een supernova, dan levert dat ieder jaar 1 miljard explosies op, ruim 30 per seconde.

 

De supernova ten gevolge van de doodsstuip van Betelgeuze zou heel veel indruk maken. Stel je zo'n minuscuul sterrenstipje aan de hemel voor dat helderder is dan de volle Maan. Iedereen die Venus aan de ochtend of avondhemel heeft zien staan weet hoe fel dat stipje kan zijn. Betelgeuze zou bijna 1000 keer meer licht geven. Je zou er niet eens naar kunnen kijken, en er de krant bij kunnen lezen. Ook overdag zal die ster nog stralen als een micro-zon.

 

En als ik het dus goed begrijp is een dergelijke nova niet rechtstreeks zichtbaar voor ons, wij kunnen dit alleen afleiden uit het feit dat het licht afgebogen wordt.

 

Ik denk dat je dit afleidt uit het gegeven dat het licht van die verre SN wordt afgebogen. Maar het is wel degelijk een rechtstreeks beeld, ondanks dat de baan in de ruimtetijd gekromd is. Stel dat je een liniaal van kosmische afmetingen zou hebben en die langs de lichtbaan zou leggen om te zien of de baan wel recht is. Maar ook die rechte liniaal volgt, zoals alles, de kromming van de ruimte. Je zou tot de conclusie komen dat het licht via een kaarsrechte lijn van de SN naar jouw oog gaat. In feite is er geen lichtstraal in het heelal te vinden die niet door een massa wordt afgebogen. Als de massa zeer groot is (zoals bij dat cluster) dan worden de effecten goed zichtbaar.

En een andere Supernova kandidaat is waarschijnlijk Eta-Carinae A,  
http://www.scientias.nl/eta-carinae-puzzelstukjes-vallen-eindelijk-elkaar/
 
In sommige media artikelen waren er al artikelen verschenen dat onze planeet de volle gamma straling en xstralen bij een uitbarsting te verwerken kreeg bij een eventuele ontploffing .
 
http://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-the-explosive-death-of-eta-carinae-will-cause-a-mass-extinction/
dit kon gebeuren als de polen van de supernova in onze richting wijzen ,
wat volgens nieuwe berekening duidelijk niet het geval is.
 

 
Een ster als  Eta-Carinae A , 100 zo massief als onze ster, zou volgens de wetenschapper een levensduur van 3 miljoen jaar bedragen om te eindigen als een zwart gat. En deze overgang kan gebeuren als Supernova , (zo helder als Venus ) of 
een Hypernova, dan zullen er 2 heldere manen zijn s'nachts.
 
En wat als Eta-Carinae A volgende jaar  ontploft ?
Dan zal het nog 7500 jaar duren voordat er iets van die ontploffing te zien is en 600 jaar voor Betelgeuze .
 
Of misschien zijn ze al ontploft en het licht is nog onderweg naar hier .

Zou je ook een supernova 'volledig' kunnen 'voorspellen', dus een supernova waarnemen op aarde voordat eerste beeld ervan op aarde aankomt? De kortste weg van supernova naar aarde is immers recht door het zware object heen. Dat is de kortste weg waarlangs informatie kan reizen. Het enige probleem is dat licht er te veel geabsorbeerd wordt. Maar bijvoorbeeld een zwaartekrachtsgolf afkomstig van de supernova, zou je die niet gewoon kunnen meten, dwars door het zware object heen? Dus voordat een beeld op aarde aankomt?
 
 

Dus voordat een beeld op aarde aankomt?

 
Jazeker kan dat. Dat is een van de grote beloften die de multi-messenger astronomie in petto heeft: KLIK