Når stjerner når slutningen af deres livscyklus, vil mange sprænge deres ydre lag i en eksplosiv proces, der kaldes en supernova. Mens astronomer har lært meget om dette fænomen, takket være sofistikerede instrumenter, der er i stand til at studere dem i flere bølgelængder, er der stadig en hel del, som vi ikke kender til supernovaer og deres rester.
For eksempel er der stadig uafklarede spørgsmål om mekanismer, der driver de resulterende chokbølger fra en supernova. Imidlertid brugte et internationalt team af forskere for nylig data indhentet af Chandra X-Ray Observatory for en nærliggende supernova (SN1987A) og nye simuleringer til at måle temperaturen på atomer i den resulterende chokbølge.
Undersøgelsen med titlen "Kollisionsløs chokopvarmning af tunge ioner i SN 1987A" dukkede for nylig op i det videnskabelige tidsskrift Natur. Holdet blev ledet af Marco Miceli og Salvatore Orlando fra University of Palermo, Italien, og var sammensat af medlemmer fra National Institute of Astrophysics (INAF), Institute for Applied Problemer in Mechanics and Mathematics, og Pennsylvania State og Northwestern University .
Af hensyn til deres undersøgelse kombinerede teamet Chandra-observationer af SN 1987A med simuleringer for at måle temperaturen på atomer i supernovas chokbølge. Dermed bekræftede teamet, at temperaturen på atomerne er relateret til deres atomvægt, et resultat, der besvarer et langvarigt spørgsmål om chokbølger og mekanismer, der driver dem.
Som David Burrows, en professor i astronomi og astrofysik ved Penn State og en medforfatter til undersøgelsen, sagde i en pressemeddelelse fra Penn State:
”Supernova-eksplosioner og deres rester leverer kosmiske laboratorier, der sætter os i stand til at udforske fysik under ekstreme forhold, som ikke kan duplikeres på Jorden. Moderne astronomiske teleskoper og instrumentering, både jordbaseret og rumbaseret, har givet os mulighed for at udføre detaljerede undersøgelser af supernovarester i vores galakse og nærliggende galakser. Vi har udført regelmæssige observationer af supernovarest SN1987A ved hjælp af NASAs Chandra røntgenobservatorium, det bedste røntgendeleskop i verden, siden kort efter Chandra blev lanceret i 1999 og brugte simuleringer til at besvare langvarige spørgsmål om chokbølger. ”
Når større stjerner gennemgår gravitationskollaps, fremdrager den resulterende eksplosion materiale udad med hastigheder på op til en tiendedel af lysets hastighed, og skubber chokbølger ind i den omgivende interstellare gas. Hvor chokbølgen møder den langsomt bevægende gas, der omgiver stjernen, har du "chokfronten". Denne overgangszone opvarmer den kølige gas til millioner af grader og fører til udsendelse af røntgenstråler, der kan observeres.
I nogen tid har astronomer været interesseret i denne region af en supernovas chokbølge, da det markerer overgangen mellem eksplosivstyrken fra en døende stjerne og den omgivende gas. Som Burrows sammenlignede det:
”Overgangen ligner en, der observeres i en køkkenvask, når en højhastighedsstrøm af vand rammer håndvaskbassinet og flyder glat udad, indtil det pludseligt springer i højden og bliver turbulent. Stødfronter er blevet undersøgt omfattende i jordens atmosfære, hvor de forekommer over et ekstremt smalt område. Men i rummet er chokovergange gradvis og påvirker muligvis ikke atomer i alle elementer på samme måde. ”
Ved at undersøge temperaturerne i forskellige elementer bag en supernovas chokfront, håber astronomer at forbedre vores forståelse af chokprocessens fysik. Mens elementernes temperaturer blev forventet at være proportional med deres atomvægt, har det været vanskeligt at få nøjagtige målinger. Tidligere undersøgelser har ikke kun ført til modstridende resultater, de har også undladt at inkludere de tunge elementer i deres analyser.
For at tackle dette kiggede teamet på Supernova SN1987A, som er placeret i den store magellanske sky og først blev synlig i 1987. Ud over at være den første supernova, der var synlig for det blotte øje siden Keplers Supernova (1604), var det først undersøgt i alle bølgelængder af lys (fra radiobølger til røntgenstråler og gammabølger) med moderne teleskoper.
Mens tidligere modeller af SN 1987A typisk har været afhængige af enkeltobservationer, anvendte forskerteamet tredimensionelle numeriske simuleringer for at vise supernovas udvikling. De sammenlignede derefter disse med røntgenobservationer leveret af Chandra for nøjagtigt at måle atomtemperaturerne, hvilket bekræftede deres forventninger.
"Vi kan nu nøjagtigt måle temperaturerne på elementer, der er så tunge som silicium og jern, og har vist, at de faktisk følger forholdet, at temperaturen i hvert element er proportional med atomens vægt af dette element," sagde Burrows. "Dette resultat afvikler et vigtigt problem i forståelsen af astrofysiske chokbølger og forbedrer vores forståelse af chockprocessen."
Denne seneste undersøgelse repræsenterer et betydningsfuldt skridt for astronomer og bringer dem tættere på en forståelse af en supernovas mekanik. Ved at låse deres hemmeligheder op, lærer vi mere om en proces, der er grundlæggende for den kosmiske udvikling, hvilket er, hvordan stjernernes død påvirker det omgivende univers.
