Billedkredit: LBL
Ved at måle polariseret lys fra en usædvanlig eksploderende stjerne har et internationalt team af astrofysikere og astronomer udarbejdet det første detaljerede billede af en Type Ia-supernova og det karakteristiske stjernesystem, hvori det eksploderede.
Ved hjælp af Det Europæiske Sydlige Observatoriums Very Large Telescope i Chile bestemte forskerne, at supernova 2002ic eksploderede inde i en flad, tæt, klumpet skive af støv og gas, der tidligere blev sprængt væk fra en ledsagerstjerne. Deres arbejde antyder, at dette og nogle andre forløbere for type Ia-supernovaer ligner objekter, der er kendt som protoplanetære nebler, der er velkendt i vores egen Mælkevejen.
Lifan Wang fra Lawrence Berkeley National Laboratory, Dietrich Baade fra European Southern Observatory (ESO), Peter H? Flich og J. Craig Wheeler fra University of Texas i Austin, Koji Kawabata fra National Astronomical Observatory of Japan og Ken'ichi Nomoto fra University of Tokyo rapporterede deres fund i udgaven af Astrophysical Journal Letters den 20. marts 2004.
Støbning af supernovaer til type
Supernovaer er mærket i henhold til de elementer, der er synlige i deres spektre: Type I-spektre mangler brintlinjer, mens Type II-spektre har disse linjer. Det, der gør SN 2002ic usædvanligt, er, at dens spektrum ellers ligner en typisk type Ia-supernova, men udviser en stærk brintemissionslinie.
Type II og nogle andre supernovaer forekommer, når kernerne i meget massive stjerner kollapser og eksploderer, hvilket efterlader ekstremt tætte neutronstjerner eller endda sorte huller. Type Ia-supernovaer eksploderer imidlertid af en meget anden mekanisme.
”En type Ia-supernova er en metallisk ildkugle,” forklarer Berkeley Labs Wang, en pioner inden for området supernova-spektropolarimetri. ”En type Ia har intet brint eller helium men masser af jern plus radioaktivt nikkel, kobolt og titan, lidt silicium og lidt kulstof og ilt. Så en af dens forfædre skal være en gammel stjerne, der har udviklet sig til at efterlade en kulstof-ilt hvid dværg. Men kulstof og ilt som nukleart brændstof brænder ikke let. Hvordan kan en hvid dværg eksplodere? ”
De mest almindeligt accepterede Type Ia-modeller antager, at den hvide dværg - omtrent som jordens størrelse men pakning af det meste af solens masse - henter materiale fra en kredsende ledsager, indtil den når 1,4 solmasser, kendt som Chandrasekhar-grænsen. Den nu superdense hvide dværg antændes i en mægtig termonuklear eksplosion og efterlader intet andet end stardust.
Andre ordninger inkluderer fusion af to hvide dværge eller endda en ensom, hvid dværg, der genindtræffer sagen, der kaster af dets yngre selv. På trods af tre årtier med søgning, indtil opdagelsen og efterfølgende spektropolarimetriske undersøgelser af SN 2002ic, var der imidlertid ingen faste bevis for nogen model.
I november 2002 rapporterede Michael Wood-Vasey og hans kolleger i Department of Energy's nærliggende Supernova Factory med base på Berkeley Lab om opdagelsen af SN 2002ic, kort efter, at dens eksplosion blev opdaget næsten en milliard lysår væk i en anonym galakse i stjernebillede Fiskene.
I august 2003 rapporterede Mario Hamuy fra Carnegie Observatories og hans kolleger, at kilden til den rigelige brintrige gas i SN 2002ic sandsynligvis var en såkaldt Asymptotic Giant Branch (AGB) -stjerne, en stjerne i de sidste faser af dens liv, med tre til otte gange solens masse - bare den slags stjerne, der, efter at den har sprængt sine ydre lag af brint, helium og støv, efterlader en hvid dværg.
Desuden var denne tilsyneladende selvmodsigende supernova - en type Ia med brint - faktisk lig med andre brintrige supernovaer, der tidligere blev benævnt Type IIn. Dette antydede igen, at selvom Type Ia-supernovaer faktisk er bemærkelsesværdigt ens, kan der være store forskelle mellem deres forfædre.
Fordi type Ia-supernovaer er så ens og så lyse - så lyse eller lysere end hele galakser - er de blevet de vigtigste astronomiske standardlys til måling af kosmiske afstande og universets udvidelse. Tidligt i 1998, efter at have analyseret snesevis af observationer af fjerne type Ia-supernovaer, annoncerede medlemmer af Department of Energy's Supernova Cosmology Project baseret på Berkeley Lab sammen med deres rivaler i High-Z Supernova Search Team med base i Australien den forbløffende opdagelse, universets udvidelse accelererer.
Kosmologer bestemte efterfølgende, at over to tredjedele af universet består af et mystisk noget kaldet ”mørk energi”, der strækker rummet og driver den accelererende ekspansion. Men at lære mere om mørk energi vil afhænge af omhyggelig undersøgelse af mange mere fjerne type Ia-supernovaer, herunder et bedre kendskab til, hvilken slags stjernesystemer der udløser dem.
Billedstruktur med spektropolarimetri
Spektropolarimetrien af SN 2002ic har givet det mest detaljerede billede af et type Ia-system endnu. Polarimetri måler orientering af lysbølger; for eksempel “måler” Polaroid solbriller vandret polarisering, når de blokerer noget af det lys, der reflekteres fra flade overflader. I et objekt som en sky af støv eller en stellar eksplosion reflekteres lys imidlertid ikke fra overflader, men spredt fra partikler eller fra elektroner.
Hvis støvskyen eller eksplosionen er sfærisk og ensartet glat, repræsenteres alle retninger lige, og netpolarisationen er nul. Men hvis objektet ikke er sfærisk - formet som en disk eller en cigar, for eksempel - vil mere lys svinge i nogle retninger end i andre.
Selv for ganske mærkbare asymmetrier overstiger nettopolarisation sjældent en procent. Det var således en udfordring for ESO-spektro-polarimetriinstrumentet at måle svage SN 2002ic, selv ved hjælp af det kraftige Very Large Telescope. Det tog adskillige timers observation på fire forskellige nætter at få de nødvendige polarimetri- og spektroskopidata i høj kvalitet.
Holdets observationer kom næsten et år efter, at SN 2002ic først blev fundet. Supernovaen var vokset meget svagere, men alligevel var dens fremtrædende brintemissionslinje seks gange lysere. Med spektroskopi bekræftede astronomerne observationen af Hamuy og hans medarbejdere, at ejecta, der ekspanderede udad fra eksplosionen med høj hastighed, var løbet ind i omgivende tyk, brintrig stof.
Kun de nye polarimetriske undersøgelser kunne imidlertid afsløre, at det meste af denne sag var formet som en tynd disk. Polariseringen skyldtes sandsynligvis samspillet mellem højhastigheds-ejecta fra eksplosionen med støvpartikler og elektroner i det langsommere bevægende omgivende stof. På grund af den måde brintlinien var lyset længe efter at supernovaen først blev observeret, udledte astronomerne, at disken indeholdt tætte klumper og havde været på plads, længe før den hvide dværg eksploderede.
”Disse forbløffende resultater antyder, at forfader til SN 2002ic var bemærkelsesværdigt lignende objekter, der er kendte for astronomer i vores egen Mælkevej, nemlig protoplanetære tåger,” siger Wang. Mange af disse tåger er resterne af de udblæsede ydre skaller fra Asymptotic Giant Branch-stjerner. Sådanne stjerner kaster, hvis de drejer hurtigt, tynde, uregelmæssige diske af.
Et spørgsmål om timing
For en hvid dværg at samle nok materiale til at nå Chandrasekhar-grænsen tager en million år eller deromkring. I modsætning hertil mister en AGB-stjerne rigelige mængder stof relativt hurtigt; den protoplanetære nebelfase er forbigående og varer kun et par hundrede eller tusinder af år, før den afblæst materie spreder sig. ”Det er et lille vindue,” siger Wang, ikke længe nok tid til, at den resterende kerne (i sig selv en hvid dværg) kan akkumulere nok materiale til at eksplodere.
Således er det mere sandsynligt, at en hvid dværgkompis i SN 2002-systemet allerede var travlt med at indsamle stof længe før nebulaen dannede sig. Fordi den protoplanetære fase kun varer nogle få hundrede år, og hvis man antager, at en Type Ia-supernova typisk tager en million år at udvikle sig, forventes kun ca. en tusindedel af alle Type Ia-supernovaer at ligne SN 2002ic. Færre vil stadig udstille sine specifikke spektrale og polarimetriske træk, skønt ”det ville være ekstremt interessant at søge efter andre type Ia-supernovaer med omkringliggende stof,” siger Wang.
Ikke desto mindre, siger Dietrich Baade, hovedundersøger for polarimetri-projektet, der brugte VLT, "er det antagelsen, at alle type Ia-supernovaer stort set er de samme, der gør det muligt at forklare observationer af SN 2002ic."
Binære systemer med forskellige orbitalkarakteristika og forskellige former for ledsagere i forskellige stadier af stjernevoluering kan stadig give anledning til lignende eksplosioner gennem akkretionsmodellen. Bemærker Baade, "Det tilsyneladende ejendommelige tilfælde af SN 2002ic giver stærkt bevis for, at disse objekter faktisk er meget ens, som den fantastiske lighed i deres lyskurver antyder."
Ved at vise fordelingen af gassen og støvet har spektropolarimetri vist, hvorfor type Ia-supernovaer er så meget ens, selvom masserne, aldrene, evolutionære tilstande og kredsløb i deres forløbersystemer kan variere så vidt.
Berkeley Lab er et U.S. Department of Energy nationalt laboratorium beliggende i Berkeley, Californien. Det udfører uklassificeret videnskabelig forskning og administreres af University of California. Besøg vores websted på http://www.lbl.gov.
Original kilde: Berkeley Lab nyhedsudgivelse
