Aan het eind van hun leven exploderen sterren als supernova’s. Dat is te zien aan de enorme hoeveelheid licht die daarbij wordt uitgestraald, waarna een zwart gat overblijft. Maar astronomen hebben nu een ster ontdekt die de explosie heeft overgeslagen en direct een zwart gat werd.
Zware sterren, waar we het hier over hebben, zijn minstens acht keer zwaarder dan onze zon. Ze worden in evenwicht gehouden door de uitgaande kracht van kernfusie en de inkomende kracht van hun eigen zwaartekracht. In de laatste levensfasen raakt de waterstofvoorraad op, en verzwakt dus de kernfusie. Op dat punt wint de zwaartekracht het, waardoor de ster ineenstort. Dit resulteert meestal in een supernova-explosie die de ster vernietigt en een zwart gat of neutronenster achterlaat.
Falende supernova
Maar soms faalt de explosie en veranderen de sterren direct in een zwart gat. Dat gebeurde bij een zware waterstofarme superreus in het Andromeda-sterrenstelsel (M31). Er was geen supernova en dat is behoorlijk zeldzaam. Het komt in de Melkweg slechts een keer per honderd jaar voor.
De onderzochte ster, genaamd M31-2014-DS1, werd in 2014 ontdekt toen hij in helderheid toenam. Duizend dagen lang bleef de helderheid constant, waarna die tussen 2016 en 2019 drastisch afnam. Er was geen verklaring voor de fluctuaties. En nog opmerkelijker: in 2023 werd de ster helemaal niet meer waargenomen.
Einde van de kernfusie
De onderzoekers van Cornell University schatten dat de ster een oorspronkelijke grootte van ongeveer 20 zonnemassa’s had en zijn laatste fase van kernverbranding bereikte met circa 6,7 zonnemassa’s. Ze denken dat de ster omgeven was door een recent ontstane stofmantel, zoals na een supernova, maar er is geen bewijs van een uitbarsting.
“De grote en langdurige afname in helderheid van M31-2014-DS1 is uitzonderlijk”, schrijven de onderzoekers. “De plotselinge afname wijst op het einde van de kernfusie, samen met een schokgolf die er niet in slaagt om het invallende materiaal te overwinnen.” Een supernova-explosie is normaal gesproken juist krachtig genoeg om dit binnenkomende materiaal volledig te verdrijven. “Bij gebrek aan bewijs voor een heldere uitbarsting, wijzen de waarnemingen van M31-2014-DS1 op tekenen van een mislukte supernova die leidde tot de instorting van de ster in een zwart gat”, leggen de auteurs uit.
Neutrinoschok
Supernova’s zijn ingewikkelde gebeurtenissen. De dichtheid in een instortende kern is zo extreem dat elektronen met protonen combineren, waardoor neutronen en neutrino’s ontstaan. Dit proces produceert een krachtige uitbarsting van neutrino’s die ongeveer 10 procent van de energie van de ster bevat. Deze uitbarsting wordt een neutrinoschok genoemd.
In een dichte sterrenkern is de neutrinodichtheid zo extreem dat een deel van deze neutrino’s hun energie afzet in het omringende materiaal, wat een schokgolf opwekt. Deze schok stagneert altijd, maar soms herstelt die zich. Wanneer dit gebeurt, veroorzaakt de schok een explosie en verdrijft de buitenste laag van de supernova. Als dit niet gebeurt, stort de ster in en vormt hij een zwart gat. Bij M31-2014-DS1 herstelde de neutrinoschok niet. De onderzoekers ontdekten dat de hoeveelheid materiaal die door de ster werd uitgestoten ver onder de verwachte hoeveelheid van een supernova lag. “Dit impliceert dat het grootste deel van het materiaal in de kern instortte, wat de maximale massa van een neutronenster overschreed en leidde tot de vorming van een zwart gat”, concludeerden ze.
Lang niet de enige
M31-2014-DS1 is niet de enige mislukte supernova, die astronomen hebben ontdekt. Ze zijn moeilijk te vinden, omdat ze worden gekenmerkt door wat er niet gebeurt in plaats van wat er wel gebeurt. Een supernova is niet te missen, omdat hij plotseling fel aan de hemel verschijnt. In 2009 ontdekten astronomen de enige andere bevestigde mislukte supernova. Dit was een rode superreus in NGC 6946 met ongeveer 25 zonnemassa’s. Nadat die was verdwenen, bleef er slechts een zwakke infrarode gloed over.
Maar vermoedelijk zijn er veel meer mislukte supernova’s dan tot nu toe bekend. Een onderzoek met de Large Binocular Telescope in Arizona monitorde 27 nabijgelegen sterrenstelsels, op zoek naar verdwijnende zware sterren. De resultaten duiden erop dat tussen de 20 en 30 procent van deze sterren hun leven kan beëindigen als mislukte supernova.
