Billedkredit: ESO
Nye data indsamlet af Det Europæiske Sydlige Observatoriums Very Large Telescope (VLT) ser ud til at indikere, at supernovaer muligvis ikke er symmetriske, når de eksploderer - deres lysstyrke ændres afhængigt af, hvordan man ser på dem. Hvis de er lysere eller svagere afhængigt af hvordan du ser på dem, kan det forårsage fejl i dine afstandberegninger. Men den nye forskning indikerer, at de bliver mere symmetriske med tiden, så astronomer er bare nødt til at vente et stykke tid, før de foretager deres beregninger.
Et internationalt team af astronomer [2] har udført nye og meget detaljerede observationer af en supernova i en fjern galakse med ESO Very Large Telescope (VLT) ved Paranal Observatory (Chile). De viser for første gang, at en bestemt type supernova, forårsaget af eksplosionen af en "hvid dværg", en tæt stjerne med en masse omkring Solens, er asymmetrisk i de indledende faser af ekspansion.
Betydningen af denne observation er meget større, end det ser ud ved første øjekast. Denne særlige form for supernova, betegnet "Type Ia", spiller en meget vigtig rolle i de aktuelle forsøg på at kortlægge universet. Det har længe været antaget, at Type Ia-supernovaer alle har den samme iboende lysstyrke, idet de får et kaldenavn som ”standardlys”.
I så fald afspejler forskelle i den observerede lysstyrke mellem individuelle supernovaer af denne type ganske enkelt deres forskellige afstande. Dette og det faktum, at toppen af lysniveauet for disse supernovae-rivaler, som i deres modersatgalakse, har gjort det muligt at måle afstande på endda meget fjerntliggende galakser. Nogle tilsyneladende uoverensstemmelser, der for nylig blev fundet, har ført til opdagelsen af den kosmiske acceleration.
Imidlertid betyder denne første clearcut-observation af eksplosionsasymmetri i en type Ia-supernova, at den nøjagtige lysstyrke for et sådant objekt afhænger af den vinkel, hvorfra det ses. Da denne vinkel ikke er kendt for nogen bestemt supernova, indfører dette åbenlyst en mængde usikkerhed i denne form for grundlæggende afstandsmålinger i universet, som skal tages i betragtning i fremtiden.
Heldigvis viser VLT-dataene også, at hvis du venter lidt - hvilket i observationsmæssige vendinger gør det muligt at se dybere ind i den ekspanderende ildkugle - så bliver det mere sfærisk. Afstandsbestemmelser af supernovaer, der udføres på dette senere tidspunkt, vil derfor være mere nøjagtige.
Supernova-eksplosioner og kosmiske afstande
Under type Ia-supernovahændelser eksploderer rester af stjerner med en indledende masse på op til et par gange så meget som Solen (såkaldte “hvide dværgstjerner”), hvilket ikke efterlader andet end en hurtigt ekspanderende sky af “stardust”.
Type Ia-supernovaer er tilsyneladende ret ens med hinanden. Dette giver dem en meget nyttig rolle som "standardlys", der kan bruges til at måle kosmiske afstande. Deres højeste lysstyrke konkurrerer med deres forælderegalakse og kvalificerer dem derfor som prima kosmiske målestokke.
Astronomer har udnyttet denne heldige omstændighed til at studere vores universes ekspansionshistorie. De kom for nylig til den grundlæggende konklusion om, at universet ekspanderer med en accelererende hastighed, jf. Dog ESO PR 21/98, december 1998 (se også Supernova Acceleration Probe-webside).
Eksplosionen af en hvid dværgstjerne
I de mest accepterede modeller af Type Ia-supernovaer kredser den hvide dværgstjerne før eksplosion om en sollignende ledsagerstjerne og afslutter en revolution hver par timer. På grund af den tætte interaktion mister ledsagerstjernen kontinuerligt masse, hvoraf en del opsamles (i astronomisk terminologi: ”akkrediteret”) af den hvide dværg.
En hvid dværg repræsenterer den næstsidste fase af en solstjernetype. Atomreaktoren i sin kerne er løbet tør for brændstof for længe siden og er nu inaktiv. På et eller andet tidspunkt vil monteringsvægten af det akkumulerende materiale imidlertid have øget trykket inde i den hvide dværg så meget, at den nukleare aske derinde vil antænde og begynde at brænde ind i endnu tungere elementer. Denne proces bliver meget hurtigt ukontrolleret, og hele stjernen sprænges i stykker i en dramatisk begivenhed. En ekstremt varm ildkugle ses, som ofte overskrider værtsgalaksen.
Formen på eksplosionen
Selvom alle supernovaer af type Ia har ret ens egenskaber, har det aldrig før været klart, hvor længe en sådan begivenhed ville se ud for observatører, der ser den fra forskellige retninger. Alle æg ser ens og ikke at skelnes fra hinanden, når de ses fra samme vinkel, men sidevisningen (oval) er åbenlyst forskellig fra endevisningen (rund).
Og faktisk, hvis Type Ia-supernovaeksplosioner var asymmetriske, ville de skinne med forskellige lysstyrker i forskellige retninger. Observationer af forskellige supernovaer - set under forskellige vinkler - kunne derfor ikke sammenlignes direkte.
Når man ikke kender disse vinkler, ville astronomerne dog derefter udlede forkerte afstande, og præcisionen for denne grundlæggende metode til måling af universets struktur ville være i tvivl.
Polarimetri til redning
En simpel beregning viser, at selv for ørnens øjne af VLT-interferometer (VLTI), vil alle supernovaer i kosmologiske afstande fremstå som uopløste lyspunkter; de er simpelthen for langt. Men der er en anden måde at bestemme den vinkel, hvorpå en bestemt supernova betragtes: polarimetri er navnet på tricket!
Polarimetri fungerer som følger: lys er sammensat af elektromagnetiske bølger (eller fotoner), der svinger i bestemte retninger (plan). Reflektion eller spredning af lys favoriserer visse orienteringer af de elektriske og magnetiske felter over andre. Dette er grunden til, at polariserende solbriller kan filtrere lyset fra sollys, der reflekteres ud fra en dam.
Når lys spreder sig gennem en supernovas ekspanderende affald, bevarer det information om spredningslagets orientering. Hvis supernovaen er sfærisk symmetrisk, vil alle orienteringer være til stede lige og gennemsnitlige ud, så der vil ikke være nogen netpolarisering. Hvis gasskallen imidlertid ikke er rund, vil der være en let netpolarisering påtrykt lyset.
”Selv for ganske bemærkelsesværdige asymmetrier er polarisationen imidlertid meget lille og overstiger næppe niveauet på en procent”, siger Dietrich Baade, ESO-astronom og et medlem af teamet, der udførte observationer. ”Måling af dem kræver et instrument, der er meget følsomt og meget stabilt. ”
Målingen i svage og fjerne lyskilder til forskelle i et niveau på mindre end en procent er en betydelig observationsudfordring. ”Imidlertid tilbyder ESO Very Large Telescope (VLT) præcisionen, lysopsamlingskraften samt den specialiserede instrumentering, der kræves til en så krævende polarimetrisk observation”, forklarer Dietrich Baade. ”Men dette projekt ville ikke have været muligt, uden at VLT blev betjent i servicetilstand. Det er faktisk umuligt at forudsige, hvornår en supernova eksploderer, og vi er nødt til at være klar hele tiden. Kun servicetilstand tillader observationer med kort varsel. For nogle år siden var det en fremsynet og modig beslutning fra ESOs direktorat at lægge så meget vægt på servicetilstand. Og det var teamet af kompetente og hengivne ESO-astronomer på Paranal, der gjorde dette koncept til en praktisk succes, tilføjer han.
Astronomerne [1] brugte VLT-multi-mode FORS1-instrumentet til at observere SN 2001el, en supernova af type Ia, der blev opdaget i september 2001 i galaksen NGC 1448, jfr. PR-foto 24a / 03 i en afstand af 60 millioner lysår.
Observationer opnået cirka en uge før denne supernova nåede maksimal lysstyrke omkring 2. oktober afslørede polarisering ved niveauer på 0,2-0,3% (PR-foto 24b / 03). Næsten maksimalt lys og op til to uger derefter var polarisationen stadig målbar. Seks uger efter maksimum var polarisationen faldet under detekterbarhed.
Dette er første gang nogensinde, at en normal Type Ia-supernova er fundet at udvise så tydeligt bevis på asymmetri.
Ser dybere ind i supernovaen
Umiddelbart efter supernovaeksplosionen bevæger det meste af det udstødte stof sig med hastigheder omkring 10.000 km / sek. Under denne udvidelse bliver de yderste lag gradvis mere gennemsigtige. Med tiden kan man således se dybere og dybere ind i supernovaen.
Polariseringen målt i SN 2001el giver derfor bevis for, at de yderste dele af supernovaen (som først ses) er signifikant asymmetrisk. Senere, når VLT-observationer “trænger” dybere mod hjertet af supernovaen, er eksplosionsgeometrien stadig mere symmetrisk.
Hvis der er modelleret i form af en udfladet sfæroid form, indebærer den målte polarisering i SN 2001el et mindre-til-hovedakse-forhold på ca. 0,9, før maksimal lysstyrke er nået, og en sfærisk symmetrisk geometri fra ca. en uge efter dette maksimum og fremad.
Kosmologiske konsekvenser
En af de nøgleparametre, som Type Ia-afstand estimater er baseret på, er den optiske lysstyrke maksimalt. Den målte asfæricitet på dette tidspunkt ville indføre en absolut lysstyrkeusikkerhed (spredning) på ca. 10%, hvis der ikke blev foretaget korrektion for betragtningsvinklen (som ikke er kendt).
Mens type Ia-supernovaer er langt de bedste standardlys til måling af kosmologiske afstande og dermed til at undersøge den såkaldte mørke energi, fortsætter en lille måleusikkerhed.
”Asymmetrien, vi har målt i SN 2001el, er stor nok til at forklare en stor del af denne iboende usikkerhed”, siger Lifan Wang, lederen af teamet. ”Hvis alle type Ia-supernovaer er som dette, ville det stå for en masse af spredningen i lysstyrke-målinger. De er muligvis endnu mere ensartede, end vi troede. ”
Reduktion af spredningen i lysmålinger kunne naturligvis også opnås ved at øge antallet af supernovaer, vi observerer markant, men i betragtning af at disse målinger kræver de største og dyreste teleskoper i verden, ligesom VLT, er dette ikke den mest effektive metode.
Således, hvis lysstyrken målt en uge eller to efter det maksimale blev anvendt i stedet, ville sfæriciteten derefter være gendannet, og der ville ikke være systematiske fejl fra den ukendte synsvinkel. Ved denne lille ændring i observationsproceduren kunne supernovaer af type Ia blive endnu mere pålidelige kosmiske målestokke.
Teoretiske implikationer
Den nuværende detektion af polariserede spektrale egenskaber antyder kraftigt, at for at forstå den underliggende fysik, skal den teoretiske modellering af type Ia-supernovae-begivenheder udføres i alle tre dimensioner med mere nøjagtighed, end der for tiden er gjort. Faktisk har de tilgængelige, meget komplekse hydrodynamiske beregninger hidtil ikke været i stand til at gengive strukturer, der er eksponeret af SN 2001el.
Mere information
Resultaterne præsenteret i denne pressemeddelelse er beskrevet i et forskningsdokument i ”Astrophysical Journal” (”Spectropolarimetry of SN 2001el in NGC 1448: Asphericity of a Normal Type Ia Supernova” af Lifan Wang og medforfattere, bind 591, p 1110).
Noter
[1]: Dette er et koordineret ESO / Lawrence Berkeley National Laboratory / Univ. af Texas Press Release. LBNL-pressemeddelelsen er tilgængelig her.
[2]: Holdet består af Lifan Wang, Dietrich Baade, Peter H? Flich, Alexei Khokhlov, J. Craig Wheeler, Daniel Kasen, Peter E. Nugent, Saul Perlmutter, Claes Fransson og Peter Lundqvist.
Original kilde: ESO News Release
