Supernovas er nogle af de mest energiske og magtfulde begivenheder i det observerbare univers. Og selvom vi ved, at supernovaer er ansvarlige for at skabe de tunge elementer, der er nødvendige for alt fra planeter til mennesker til el-værktøjer, har forskere længe kæmpet for at bestemme mekanikken bag det pludselige sammenbrud og den efterfølgende eksplosion af massive stjerner.
Takket være NASAs NuSTAR-mission har vi vores første solide ledetråde til, hvad der sker, før en stjerne går "boom."
Billedet ovenfor viser supernova-resten Cassiopeia A (eller Cas A kort) med NuSTAR-data i blåt og observationer fra Chandra røntgenobservatorium i rødt, grønt og gult. Det er den stødbølge, der er tilbage fra eksplosionen af en stjerne, der er ca. 15 til 25 gange mere massiv end vores sol for over 330 år siden *, og den gløder i forskellige bølgelængder af lys afhængigt af temperaturer og typer af tilstedeværende elementer.
Tidligere observationer med Chandra afslørede røntgenemissioner fra ekspanderende skaller og filamenter af varm jernrig gas i Cas A, men de kunne ikke kikke dybt nok til at få en bedre idé om, hvad der er inde i strukturen. Det var først før NASAs Nuclear Spectroscopic Telescope Array - det er NuSTAR til dem, der ved, - vendte sit røntgenbillede mod Cas A, at de manglende puslespil kunne findes.
Og de er lavet af radioaktivt titan.
Der er lavet mange modeller (ved hjælp af millioner af timers supercomputer-tid) for at forsøge at forklare kerne-sammenbrud supernovas. En af de førende har stjernen revet fra hinanden ved hjælp af magtfulde jetfly, der skyder fra dens poler - noget, der er forbundet med endnu mere kraftfulde (men fokuserede) gammastråle-bursts. Men det så ikke ud til, at jetfly var årsagen til Cas A, som ikke udviser elementære rester inden i dens jetstrukturer ... og desuden resulterede modellerne, der er afhængige af jetfly, ikke altid i en fuldblæst supernova.
Som det viser sig, tilstedeværelsen af asymmetriske klumper af radioaktivt titan dybt inde i skaller af Cas A, afsløret i højenergi-røntgenstråler fra NuSTAR, peger på en overraskende anderledes proces ved spil: en "sloshing" af materiale inden for efterkommere stjerne, der kickstarts en stødbølge og i sidste ende river den fra hinanden.
Se en animation af, hvordan denne proces forekommer:
Sloshing, der finder sted over et tidsrum på blot et par hundrede millisekunder - bogstaveligt talt med et øjeblik blink - sammenlignes med kogende vand på en komfur. Når boblerne bryder gennem overfladen, går dampen ud.
Kun i dette tilfælde fører udbruddet til den sindssygtige kraftfulde detonering af en hel stjerne, sprængning af en stødbølge af højenergipartikler i det interstellære medium og spreder et periodisk bordfuld af tunge elementer i galaksen.
I tilfælde af Cas A blev titanium-44 skubbet ud i klumper, der gentager formen på den oprindelige sloshing-asymmetri. NuSTAR var i stand til at afbilde og kortlægge titanet, der lyser i røntgenstråler på grund af dets radioaktivitet (og ikke fordi det opvarmes ved at udvide chokbølger, ligesom andre lettere elementer, der er synlige for Chandra).
”Indtil vi havde NuSTAR, kunne vi ikke rigtig se ned i kernen i eksplosionen,” sagde Caltech-astronom Brian Grefenstette under en NASA-telekonference den 19. februar.
”Tidligere var det svært at fortolke, hvad der foregik i Cas A, fordi det materiale, vi kunne se, kun gløder i røntgenstråler, når det varmet op. Nu hvor vi kan se det radioaktive materiale, der lyser i røntgenstråler uanset hvad, får vi et mere komplet billede af, hvad der foregik ved kernen i eksplosionen. ”
- Brian Grefenstette, hovedforfatter, Caltech
Okay, så fantastisk, siger du. NASAs NuSTAR har fundet gløden af titan i resterne af en sprængt stjerne, Chandra så noget jern, og vi ved, at det gled og 'kogte' en brøkdel af et sekund, før det eksploderede. Og hvad så?
”Nu skal du passe på dette,” sagde astronom Robert Kirshner fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. ”Supernovaer fremstiller de kemiske elementer, så hvis du købte en amerikansk bil, blev den ikke lavet i Detroit for to år siden; jernatomerne i dette stål blev fremstillet i en gammel supernovaeksplosion, der fandt sted for fem milliarder år siden. Og NuSTAR viser, at titanet, der findes i din onkel Jack's erstatnings-hofte, også blev lavet i denne eksplosion.
”Vi er alle stardust, og NuSTAR viser os, hvor vi kom fra. Inklusive vores reservedele. Så du skal være interesseret i dette ... og det skal også din onkel Jack. ”
Og det er ikke kun supernovas i kernekollaps, som NuSTAR vil være i stand til at undersøge. Andre typer supernovas vil også blive undersøgt - for SN2014J, en type Ia, der blev opdaget i M82 i januar, også lige efter at de forekommer.
”Vi ved, at det er en type hvid dværgstjerne, der detonerer,” svarede NuSTARs hovedundersøger Fiona Harrison til Space Magazine under telekonferencen. ”Dette er meget spændende nyheder… NuSTAR har kigget på [SN2014J] i uger, og vi håber også at kunne sige noget om denne eksplosion.”
En af de mest værdifulde resultater af de nylige NuSTAR-fund er at have et nyt sæt observerede begrænsninger, der skal placeres på fremtidige modeller af supernovas med kernekollaps ... hvilket vil hjælpe med at give svar - og sandsynligvis nye spørgsmål - om, hvordan stjerner eksploderer, endda hundreder eller tusinder af år efter, at de gør det.
"NuSTAR er banebrydende videnskab, og du må forvente, at når du får nye resultater, vil den åbne for så mange spørgsmål, som du svarer," sagde Kirshner.
NuSTAR blev lanceret i juni 2012 og er det første fokuserende hårde røntgenteleskop, der kredser om Jorden, og det første teleskop, der er i stand til at fremstille kort over radioaktive elementer i supernovarester.
Læs mere om JPL-nyhedsmeddelelsen her, og lyt til den fulde pressekonference her.
* Da Cas A bor 11.000 lysår fra Jorden, ville supernovas faktiske dato være omkring 11.330 år siden. Giv eller tag et par stykker.
