Astronomer troede, at alle type 1a-supernovaer i det væsentlige var den samme lysstyrke. Dette er et problem, da denne form for supernovaer bruges som standardlys til at bestemme afstand over hele universet. Senest er disse supernovaer blevet brugt til at beregne den mystiske kraft kaldet mørk energi, der ser ud til at fremskynde universets udvidelse.
En gruppe forskere, der er tilknyttet SuperNova Legacy Survey (SNLS), har fundet forbløffende bevis for, at der er mere end en slags type Ia-supernova, en klasse eksploderende stjerner, der indtil nu er blevet betragtet som i det væsentlige ensartede i alle vigtige henseender. Supernova SNLS-03D3bb er mere end dobbelt så lys som de fleste Type Ia-supernovaer, men har langt mindre kinetisk energi og ser ud til at være halvdelen så massiv som en typisk Type Ia.
Ledende forfattere af rapporten, der vises i 21. september-nummeret af Nature, inkluderer Andrew Howell, tidligere fysikafdelingen ved Lawrence Berkeley National Laboratory og nu på University of Toronto, og Peter Nugent, en astrofysiker med Berkeley Labs Computational Research Division. Andre hovedforfattere er Mark Sullivan fra University of Toronto og Richard Ellis fra California Institute of Technology. Disse og mange af de andre forfattere af Nature-papiret er medlemmer af Supernova Cosmology Project baseret på Berkeley Lab.
Fordi næsten alle Type Ia-supernovaer, der hidtil findes, ikke kun er bemærkelsesværdigt lyse, men bemærkelsesværdigt ensartede i deres lysstyrke, betragtes de som de bedste astronomiske "standardlys" til måling på tværs af kosmologiske afstande. I 1998, efter observationer af mange fjerne type Ia-supernovaer, meddelte Supernova Cosmology Project og det rivaliserende High-Z Supernova Search Team deres opdagelse af, at udvidelsen af universet accelererer - en konstatering, der snart ville tilskrives det ukendte noget, der kaldes mørkt energi, der fylder universet og modsætter sig gensidig tyngdekraftsattraktion.
”Type Ia-supernovaer menes at være pålidelige afstandsindikatorer, fordi de har en standardmængde brændstof - kulstof og ilt i en hvid dværgstjerne - og de har en ensartet trigger,” siger Nugent. ”Det forventes, at de eksploderer, når massen af den hvide dværg nærmer sig Chandrasekhar-massen, som er ca. 1,4 gange massen af vores sol. Det faktum, at SNLS-03D3bb er langt over den masse slags, åbner en Pandoras kasse. ”
Hvorfor de fleste type Ia Supernovae er de samme
Klassificering af supernovatyper er baseret på deres spektre. Type Ia-spektre har ingen brintlinjer, men har siliciumabsorptionslinjer, hvilket er en ledetråd til deres eksplosioners kemi. De hvide dværgforfædre af type Ia-supernovaer, typisk omkring to tredjedele af solens masse, menes at hæve yderligere masse fra en binær ledsager, indtil de nærmer sig Chandrasekhar-grænsen. Stigende tryk får kulstof og ilt i midten af stjernen til at smelte sammen, hvilket producerer elementerne op til nikkel på det periodiske bord; den energi, der frigøres i denne proces, sprænger stjernen i stykker i en titanisk termonuklear eksplosion.
Nogle variationer er observeret i type Ia-supernovaer, men disse er for det meste forenelige. Lysere type Ia tager længere tid at stige til maksimal lysstyrke og længere tid at aftage. Når tidsskalaerne for de individuelle lyskurver strækkes for at passe til normen, og lysstyrken skaleres efter strækningen, matcher Type Ia lyskurver.
Lysstyrkeforskelle kan skyldes forskellige forhold mellem kulstof og ilt i forfaderne, hvilket resulterer i forskellige slutmængder af nikkel i eksplosionen. Det radioaktive henfald af nikkel til kobolt og derefter jern driver de optiske og næsten infrarøde lyskurver af type Ia supernovaer. Forskelle i tilsyneladende lysstyrke kan også være produkter af asymmetri; en eksplosion set fra en vinkel kan være lidt svagere end fra en anden.
Ingen af disse mulige forskelle er nok til at forklare supernova SNLS-03D3bbs ekstreme lysstyrke - hvilket er meget for lyst til dens lyskurve "strækning." I de fleste lysere supernovaer bevæger sig materien desuden fra eksplosionen en højere hastighed; det vil sige, disse eksplosioner har mere kinetisk energi. Men ejectaen fra SNLS-03D3bb var usædvanligt langsom.
”Andy Howell satte to og to sammen og indså, at SNLS-03D3bb skal have super-Chandrasekhar-masse,” siger Nugent.
Bevismassen
En anelse var elementerne, der var nødvendige for at producere den ekstra lysstyrke. ”Al kraft i en type Ia kommer fra forbrænding af kulstof og ilt til tungere elementer, især nikkel 56,” siger Nugent. ”En type Ia med normal lysstyrke udgør omkring 60 procent af en solmasse værdi af nikkel 56, resten er andre elementer. Men SNLS-03D3bb er mere end dobbelt så lys som normalt; det skal have mere end dobbelt så meget nikkel 56. Den eneste måde at få det på er med en afkom, der er 50 procent mere massiv end Chandrasekhar-massen. ”
Den anden faktor er langsomheden i SNLS-03D3bbs ejecta, som detekteres i forskydningen af elementalinjer i dets spektrum. Hastigheden af supernova ejecta afhænger af den kinetiske energi, der frigøres i eksplosionen, hvilket er forskellen mellem energien frigivet ved termonuklear forbrænding minus den bindende energi, der fungerer til at holde stjernen sammen, en funktion af stjernens masse. Jo mere massiv stjerne er, jo langsommere er ejecta.
Men hvordan kunne en kulstof-iltforfader nogensinde akkumulere masse større end Chandrasekhar-grænsen uden at eksplodere? Det er muligt, at en meget hurtigt spinnende stjerne kan være mere massiv. Det er også muligt, at to hvide dværge med en kombineret masse langt over Chandrasekhar-grænsen kunne kollidere og eksplodere.
Nugent siger: ”En ledetråd kom fra vores medforfatter Mark Sullivan, der i SNLS-data allerede havde fundet to forskellige priser for produktionen af Type Ia-supernova. De kan groft bruges i dem, der kommer fra unge stjernedannende galakser og dem fra gamle, døde galakser. Så der er en indikation af, at der kan være to populationer af type Ia, med to typer af forfædre, og to forskellige stier til eksplosion. ”
I gamle, døde galakser er selv de største stjerner små, forklarer Nugent. De eneste slags supernovaer af type Ia, der er mulige i disse galakser, er sandsynligvis den binære system, massetiltrækkende, Chandrasekhar-massetype. Men unge stjernedannende galakser producerer massive genstande og kunne være rige på hvid-dværg plus hvid-dværg binære systemer, såkaldte “dobbelt-degenererede” systemer.
”Hvis den dobbeltdegenererede model er rigtig, vil sådanne systemer altid producere super-Chandrasekhar-eksplosioner i disse meget unge galakser,” siger Nugent.
Unge galakser findes mere sandsynligt i det tidlige univers og dermed i større afstand. Da fjerne type Ia-supernovaer er afgørende for bestræbelserne på at måle udviklingen af mørk energi, bliver det vigtigt at klart identificere type Ia-supernovaer, der ikke passer til Chandrasekhar-massemodellen. Dette er let at gøre med en type Ia så underlig som SNLS-03D3bb, men ikke alle super-Chandrasekhar supernovaer er måske så indlysende.
”En måde at registrere super-Chandrasekhar supernovaer er ved at måle ejecta-hastighed og sammenligne den med lysstyrke. En anden måde er ved at tage flere spektre, når lyskurven udvikler sig. Desværre er det at tage spektre den største udgift i hele forfølgelsen af mørke energistudier, ”siger Nugent. ”Designerne af disse eksperimenter bliver nødt til at finde effektive måder til at fjerne super-Chandrasekhar supernovaer fra deres prøver.”
Modellering af variationerne
Det var delvis i håb om at udvikle en hurtig og pålidelig måde til at identificere kandidat Type Ia-supernovaer til kosmologisk forskning, at Nugent og medforfatter Richard Ellis oprindeligt henvendte sig til Sullivan og andre medlemmer af SNLS med sin store database af supernovaer. Arbejder ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) baseret på Berkeley Lab, Nugent udviklede en algoritme, der kunne tage en håndfuld fotometriske datapunkter tidligt i udviklingen af en kandidatsupernova, positivt identificere den som en type Ia og præcist forudsige dets tid med maksimal lysstyrke.
En af de første Type Ia, der blev undersøgt på denne måde, viste sig at være selve SNLS-03D3bb. ”Det havde et så højt signal-til-støj-forhold i betragtning af dens rødskift, at vi fra begyndelsen skulle have mistænkt, at det ville være en usædvanlig supernova,” siger Nugent.
Nugent betragter opdagelsen af den første påviselige super-Chandrasekhar supernova som et spændende udsigt: ”For første gang siden 1993” - da forholdet mellem lys og kurveform blev udviklet - ”har vi nu en stærk retning for at se efter det næste parameter, der beskriver lysstyrken for en Type Ia-supernova. Denne søgning kan føre os til en meget bedre forståelse af deres forfædre og systematikken ved at bruge dem som kosmologiske sonder. ”
Denne forståelse er et af de vigtigste mål for Computational Astrophysics Consortium, ledet af Stan Woosley fra University of California i Santa Cruz og støttet af Department of Energy's Office of Science gennem Scientific Discovery Through Advanced Computing (SciDAC) -programmet med Nugent og John Bell fra Computation Research Division og NERSC blandt de førende partnere.
”Chandrasekhar's model fra stjerne-kollaps fra 1931 var elegant og kraftfuld; det vandt ham Nobelprisen, ”siger Nugent. ”Men det var en simpel, en-dimensionel model. Bare ved at tilføje rotation kan man overskride Chandrasekhar-massen, som han selv anerkendte. ”
Med 2-D- og 3D-modeller af supernovaerne nu muligt ved hjælp af supercomputere, siger Nugent, er det muligt at studere en bredere vifte af naturens muligheder. ”Det er målet med vores SciDAC-projekt, at få de bedste modeller og de bedste observationsdata og kombinere dem for at skubbe hele vokskuglen. I slutningen af dette projekt ved vi det mest, vi kan vide om alle slags Type Ia-supernovaer. ”
"En type-Ia Supernova fra en Super-Chandrasekhar masse hvid dværgstjerne," af D. Andrew Howell, Mark Sullivan, Peter E. Nugent, Richard S. Ellis, Alexander J. Conley, Damien Le Borgne, Raymond G. Carlberg, Julien Guy, David Balam, Stephane Basa, Dominique Fouchez, Isobel M. Hook, Eric Y. Hsiao, James D. Neill, Reynald Pain, Kathryn M. Perret og Christopher J. Pritchett vises i 21. september-udgaven af Nature and er tilgængelig online for abonnenter.
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: LBL Nyhedsmeddelelse
