Hoe zijn alle elementen precies ontstaan in het heelal? Onderzoek daarnaar springt vooruit dankzij nieuwe telescopen en betere modellen voor analyse van de waarnemingen. Leerden we nog kortgeleden dat er aardmassa’s goud ontstaan als neutronensterren botsen, ook van andere elementen wordt steeds duidelijker bij welke gebeurtenissen in het heelal ze ontstaan. Zo lijken in het Perseus-cluster de elementen calcium, ijzer en nikkel volgens dezelfde receptuur te zijn gemaakt als in onze eigen Melkweg. Dat schrijft het wetenschappelijke team van de Japanse Hitomi-telescoop deze week in Nature. Onder de onderzoekers is ook een groep wetenschappers van ruimte-onderzoeksinstituut SRON.

Astronomen weten dat sterren stralen omdat ze het lichtste element waterstof omzetten in het iets zwaardere helium, waarbij energie vrijkomt. Nog zwaardere elementen ontstaan als sterren ontploffen: de supernovae aan het eind van sterrenlevens. Astronomen onderzoeken al decennialang welke zwaardere elementen nou precies bij welk type supernova ontstaan en hoeveel.

Herkomst anders of hetzelfde?

De vorig jaar gelanceerde Hitomi röntgentelescoop – met technologische en wetenschappelijke bijdragen van het Nederlandse instituut SRON – ging enige tijd na de lancering verloren, maar bestudeerde nog net op tijd het Perseus Cluster. Dat is een wolk heet gas met honderden melkwegstelsels erin, elk met miljarden sterren. De ultra-gevoelige camera van Hitomi kon heel precies onthullen dat in deze grote hete ‘gasbel’ de onderlinge verhoudingen tussen calcium, ijzer en nikkel hetzelfde zijn als in ons eigen zonnestelsel. Die atomen – bouwstoffen van onszelf en bijna alles om ons heen – zijn dus in dezelfde soort supernova’s gevormd.

Eerdere studies leken erop te wijzen dat de verhoudingen in clusters van melkwegstelsels anders lagen, dan bij onze zon. SRON-onderzoeker Jelle de Plaa: “In de oude metingen met röntgentelescoop XMM-Newton leken nikkel en calcium relatief vaker voor te komen dan ijzer. Daardoor overwogen astronomen de mogelijkheid dat in clusters van melkwegstelsels wellicht hele specifieke supernova-ontploffingen voorkomen die meer calcium produceren. Hitomi laat nu zien dat de verhoudingen echter van eenzelfde recept komen.”

Vooruitgang in onderzoek herkomst elementen

De vernieuwende röntgencamera van de Japanse telescoop Hitomi werkte veel nauwkeuriger dan voorgangers. Astronomen kijken reikhalzend uit naar de recovery missie XARM waarmee NASA en JAXA (beoogde lancering 2021) het verlies van Hitomi willen compenseren. Maar ook naar de nieuwe ESA röntgentelescoop ATHENA (lancering 2028). Met de XARM missie kunnen astronomen de hoeveelheden elementen in clusters in het ‘nabije’ heelal veel nauwkeuriger meten dan tot nu toe. Dit gaat tot afstanden van een paar miljard lichtjaar. De ATHENA telescoop wordt nog een stuk gevoeliger en kan daardoor ook verre clusters waarnemen op het moment dat ze ongeveer 3 tot 4 miljard jaar oud zijn. Het licht heeft er bij deze objecten 10 miljard jaar over gedaan om de Aarde te bereiken. Met deze nieuwe telescoop kunnen astronomen daardoor de ontwikkeling van de elementen ook in de tijd gaan volgen. Aan beide missies draagt SRON bij met zowel wetenschap als technologie.

Behalve de röntgentelescopen zelf, verbeteren ook de modellen die astronomen gebruiken om metingen van röntgentelescopen mee te analyseren. Dankzij de komst van Hitomi en de nieuwe metingen die zijn gedaan, konden die computermodellen sterk worden verbeterd. Het is zelfs zo dat als de nieuwe modellen op de oudere XMM-Newton data worden losgelaten, dat de eerder gevonden afwijkingen in de hoeveelheid calcium en nikkel er niet meer zijn.
SRON-astronoom Jelle Kaastra is wereldwijd gezien expert op het gebied van modellen voor analyse van röntgendata: “Het is geweldig om te zien dat al het werk aan de verbetering van de modellen nu vruchten afwerpt.” De Plaa vult aan: “Het laat zien dat vooruitgang in computermodellen op z’n minst zo belangrijk is als die in techniek om metingen goed uit te kunnen voeren. Ze kunnen niet zonder elkaar.”

Het Hitomi-team publiceerde zijn conclusies 13 november in tijdschrift Nature. Persberichten van NASA en JAXA daarover in het Engels:
www.nasa.gov/feature/goddard/2017/hitomi-mission-glimpses-cosmic-recipe-for-the-nearby-universe
www.isas.jaxa.jp/en/topics/001182.html