Opdagelsen af mørk energi, en mystisk kraft, der fremskynder universets udvidelse, var baseret på observationer af type 1a-supernovaer, og disse stellare eksplosioner er længe blevet brugt som ”standardlys” til måling af udvidelsen. En ny undersøgelse afslører kilder til variation i disse supernovaer, og for nøjagtigt at undersøge arten af mørk energi og bestemme, om den er konstant eller variabel over tid, vil forskere skulle finde en måde at måle kosmiske afstande med meget større præcision end de har i fortiden.
”Når vi begynder på den næste generation af kosmologieksperimenter, vil vi bruge type 1a-supernovaer som meget følsomme mål for afstand,” sagde hovedforfatter Daniel Kasen fra en undersøgelse, der blev offentliggjort i Nature denne uge. ”Vi ved, at de ikke alle er den samme lysstyrke, og vi har måder at korrigere for det, men vi er nødt til at vide, om der er systematiske forskelle, der kan forspænde afstandsmålingerne. Så denne undersøgelse undersøgte, hvad der forårsager disse forskelle i lysstyrke. ”
Kasen og hans coauthors – Fritz Röpke fra Max Planck Institute for Astrophysics i Garching, Tyskland, og Stan Woosley, professor i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz - brugte supercomputere til at køre snesevis af simuleringer af type 1a supernovaer. Resultaterne indikerer, at meget af den mangfoldighed, der er observeret i disse supernovaer, skyldes den kaotiske natur af de involverede processer og den resulterende asymmetri af eksplosionerne.
For det meste ville denne variation ikke give systematiske fejl i måleundersøgelser, så længe forskere bruger et stort antal observationer og anvender standardkorrektionerne, sagde Kasen. Undersøgelsen fandt en lille, men potentielt foruroligende virkning, der kunne være resultatet af systematiske forskelle i de kemiske sammensætninger af stjerner på forskellige tidspunkter i universets historie. Men forskere kan bruge computermodellerne til yderligere at karakterisere denne effekt og udvikle korrektioner for den.
En supernova af type 1a forekommer, når en hvid dværgstjerne erhverver yderligere masse ved at sippe stof væk fra en ledsagerstjerne. Når den når en kritisk masse - 1,4 gange solens masse, pakket ind i et objekt på jordens størrelse - varmen og trykket i midten af stjernen udløser en løbsk kernefusionsreaktion, og den hvide dværg eksploderer. Da de oprindelige forhold i alle tilfælde er de samme, har disse supernovaer en tendens til at have den samme lysstyrke, og deres "lyskurver" (hvordan lysstyrken ændrer sig over tid) er forudsigelige.
Nogle er iboende lysere end andre, men disse blusser og falmer langsommere, og denne korrelation mellem lysstyrkens lysstyrke og bredde gør det muligt for astronomer at anvende en korrektion for at standardisere deres observationer. Så astronomer kan måle lyskurven for en type 1a supernova, beregne dens iboende lysstyrke og derefter bestemme, hvor langt det er, da den tilsyneladende lysstyrke formindskes med afstanden (ligesom et lys forekommer lysere i afstand end det gør tæt på) .
Computermodellerne, der blev brugt til at simulere disse supernovaer i den nye undersøgelse, er baseret på den aktuelle teoretiske forståelse af, hvordan og hvor antændelsesprocessen begynder inde i den hvide dværg, og hvor den gør overgangen fra langsomt brændende forbrænding til eksplosiv detonation.
Simuleringerne viste, at eksplosionernes asymmetri er en nøglefaktor, der bestemmer lysstyrken for supernovaer af type 1a. ”Årsagen til at disse supernovaer ikke alle er den samme lysstyrke er tæt knyttet til dette brud på sfærisk symmetri,” sagde Kasen.
Den dominerende kilde til variation er syntese af nye elementer under eksplosionerne, som er følsomme over for forskelle i geometrien for de første gnister, der antænder en termonuklear løb i den simmende kerne af den hvide dværg. Nikkel-56 er især vigtig, fordi det radioaktive forfald af denne ustabile isotop skaber det efterglød, som astronomer er i stand til at observere i måneder eller endda år efter eksplosionen.
”Forfaldet af nikkel-56 er det, der styrker lyskurven. Eksplosionen er forbi i løbet af sekunder, så hvad vi ser er resultatet af, hvordan nikkel opvarmer affaldet, og hvordan affaldet udstråler lys, ”sagde Kasen.
Kasen udviklede computerkoden til at simulere denne strålende overførselsproces ved hjælp af output fra de simulerede eksplosioner til at producere visualiseringer, der kan sammenlignes direkte med astronomiske observationer af supernovaer.
Den gode nyhed er, at variationen, der ses i computermodellerne, stemmer overens med observationer af type 1a-supernovaer. ”Det vigtigste er, at bredde og spids lysstyrke på lyskurven er korreleret på en måde, der stemmer overens med, hvad observatører har fundet. Så modellerne er i overensstemmelse med de observationer, som opdagelsen af mørk energi var baseret på, ”sagde Woosley.
En anden kilde til variation er, at disse asymmetriske eksplosioner ser forskellige ud, når de ses i forskellige vinkler. Dette kan forklare forskelle i lysstyrke på så meget som 20 procent, sagde Kasen, men effekten er tilfældig og skaber spredning i målingerne, der statistisk kan reduceres ved at observere stort antal supernovaer.
Potentialet for systematisk bias skyldes primært variation i den indledende kemiske sammensætning af den hvide dværgstjerne. Tyngre elementer syntetiseres under supernova-eksplosioner, og affald fra disse eksplosioner integreres i nye stjerner. Som et resultat vil stjerner, der er dannet for nylig, sandsynligvis indeholde mere tunge elementer (højere "metallicitet" i astronomernes terminologi) end stjerner dannet i den fjerne fortid.
”Det er den slags ting, vi forventer at udvikle sig over tid, så hvis man ser på fjerne stjerner, der svarer til meget tidligere tider i universets historie, ville de have en lavere metallicitet,” sagde Kasen. ”Da vi beregnet effekten af dette i vores modeller, fandt vi, at de resulterende fejl i afstandsmålinger ville være i størrelsesordenen 2 procent eller mindre.”
Yderligere undersøgelser, der bruger computersimuleringer, giver forskere mulighed for at karakterisere virkningerne af sådanne variationer mere detaljeret og begrænse deres indvirkning på fremtidige mørkeenergi-eksperimenter, hvilket muligvis kræver et præcisionsniveau, der ville gøre fejl på 2 procent uacceptable.
Kilde: EurekAlert
