Een van de heftigste soorten sterexplosies in het heelal is mogelijk verantwoordelijk voor de goudvoorraad op aarde. Het gaat om een zeldzaam type supernova dat in één klap een flinke portie goud en andere erg zware metalen kan maken.

Amerikaanse onderzoekers stellen dat het merendeel van de zware metalen gevormd is in collapsars: de ineenstortingen van snel draaiende, superzware sterren tot zwarte gaten. De conclusie zet het alom geaccepteerde idee op de kop dat goud voornamelijk ontstaat tijdens botsingen tussen twee neutronensterren of tussen een neutronenster en een zwart gat.

Voorbij ijzer

Elementen zoals helium, koolstof en zuurstof ontstaan in het hete binnenste van sterren. Daar vindt kernfusie plaats, waarbij lichte elementen samensmelten tot zwaardere varianten. Dit proces kan niet eindeloos doorgaan. Vanaf het element ijzer kost het samensmelten meer energie dan het oplevert. Een ster zal daar niet zomaar aan beginnen.

Achteraf gezien
LEES OOK
Achteraf gezien

Zwaardere elementen dan ijzer ontstaan in gewelddadigere gebeurtenissen, zoals in supernova-explosies die zware sterren aan het einde van hun leven ondergaan en in neutronensterbotsingen. Bij zulke heftige processen komt zo veel energie vrij dat de kernfusie verder wordt geduwd, ver voorbij de energiegunstige processen.

Goudproductie

De onderzoekers van de New Yorkse Columbia University stellen deze maand in vakblad Nature dat wel tachtig procent van de zware metalen, waaronder goud en uranium, gevormd wordt in collapsars. Dit zeldzaam type supernova vindt plaats wanneer een oude, snel ronddraaiende ster die minstens dertig keer zo zwaar is als de zon ineenstort tot een zwart gat.

Het team maakte gebruik van supercomputers om de instortende sterren te simuleren. Zij bekeken hoe de ontstane zwarte gaten enorme bergen materie naar binnen slurpen. Alles wat de gaten niet snel genoeg op kunnen vreten, vliegt de kosmos in. Die ontsnappende materie zit bomvol neutronen, wat het de perfecte omgeving maakt voor de vorming van zware elementen.

Sterrenkundigen dachten dat het meeste goud geproduceerd werd door botsende neutronensterren. Beeld: NASA/Dana Berry.

Zeldzaam, maar veel

De hoeveelheid zware elementen die collapsars in de simulaties opleveren, is veel groter dan de wetenschappers hadden verwacht. ‘Collapsars zijn vrij zeldzaam – zeldzamer nog dan botsingen van neutronensterren – maar de hoeveelheid materiaal die ze de ruimte insturen is veel groter’, zegt eerste auteur Daniel Siegel in een persverklaring. Elke collapsar kan een zonsmassa aan zware elementen opleveren. Het aandeel zware elementen die collapsars op deze manier maken, is ‘vergelijkbaar met wat we in het zonnestelsel zien’.

De goudproductie door collapsars lost bovendien een vraagstuk op over de samenstelling van oude sterren. In de jongere jaren van het universum waren er nog geen neutronensterren gebotst. Toch hebben astronomen ook in de alleroudste sterren zware elementen gevonden. Nu lijkt het erop dat deze eerste zware elementen mogelijk afkomstig waren van de eerste collapsars. Die vonden namelijk wél al kort na het ontstaan van de eerste sterren plaats.

Werkelijkheid in detail

‘De gebruikte computersimulatie is een van de meest geavanceerde ooit van een collapsar’, zegt Selma de Mink, sterrenkundige aan de Universiteit van Amsterdam. ‘De onderzoekers hebben nauwkeurig berekend wat de verhouding is van protonen en neutronen in de schijf rond het zwarte gat dat vormt tijdens een collapsar. Daaruit volgt dat er veel meer neutronen zijn dan voorheen is aangenomen – een voorwaarde voor de productie van hele zware elementen.’

‘Dat is een belangrijke vondst’, zegt De Mink, ‘maar het blijft natuurlijk wel een simulatie. Daarvoor zijn aannames gedaan. Een computer kan nooit de werkelijkheid in alle detail reproduceren. Uit een simulatie volgen dus geen harde feiten. Daarom zal de discussie ‘neutronsterbotsing of collapsar’ nog wel een tijdje woeden in de sterrenkundegemeenschap.’

‘Andere wetenschappers zullen nu proberen vergelijkbare of nog betere simulaties te doen om het resultaat te controleren’, voegt De Mink toe. De collapsar-onderzoekers hopen hun vermoedens te kunnen bevestigen met metingen van de James Webb Space Telescope, die in 2021 gelanceerd wordt.