Astronómovia verili, že všetky supernovy typu 1a sú v podstate rovnaké. Toto je problém, pretože tento druh supernov sa používa ako štandardné sviečky na určovanie vzdialeností po celom vesmíre. Najnovšie boli tieto supernovy použité na výpočet záhadnej sily nazývanej temná energia, ktorá podľa všetkého urýchľuje rozširovanie vesmíru.
Skupina vedcov pridružených k prieskumu SuperNova Legacy Survey (SNLS) našla prekvapujúce dôkazy, že existuje viac ako jeden druh supernovy typu Ia, trieda explodujúcich hviezd, ktorá sa doteraz považovala za v podstate jednotnú vo všetkých dôležitých ohľadoch. Supernova SNLS-03D3bb je viac ako dvakrát jasnejšia ako väčšina supernov typu Ia, má však oveľa menšiu kinetickú energiu a zdá sa, že je opäť o polovicu masívnejšia ako typická la.
Medzi hlavných autorov správy, ktorá sa objavuje v čísle Príroda z 21. septembra, patria Andrew Howell, predtým Fyzikálny odbor v Lawrence Berkeley National Laboratory a teraz na Torontskej univerzite, a Peter Nugent, astrofyzik s výpočtovým výskumom Berkeley Lab. division. Ďalšími hlavnými autormi sú Mark Sullivan z University of Toronto a Richard Ellis z Kalifornského technologického inštitútu. Títo a mnohí ďalší autori článku Nature sú členmi projektu Supernova Cosmology Project so sídlom v Berkeley Lab.
Pretože takmer všetky supernovy typu Ia, ktoré sa doteraz našli, sú nielen pozoruhodne jasné, ale pozoruhodne jednotné, sú považované za najlepšie astronomické „štandardné sviečky“ na meranie cez kozmologické vzdialenosti. V roku 1998, po pozorovaní mnohých vzdialených supernov typu Ia, Kozmologický projekt Supernova a konkurenčný vyhľadávací tím High-Z Supernova oznámili svoj objav, že rozširovanie vesmíru sa zrýchľuje - zistenie, ktoré by sa čoskoro pripisovalo neznámu niečo, čo sa nazýva temné energia, ktorá zapĺňa vesmír a stavia sa proti vzájomnej gravitačnej príťažlivosti hmoty.
„Supernovy typu Ia sa považujú za spoľahlivé indikátory vzdialenosti, pretože majú štandardné množstvo paliva - uhlík a kyslík v bielej trpasličej hviezde - a majú jednotný spúšť,“ hovorí Nugent. "Predpokladá sa, že explodujú, keď sa hmota bieleho trpaslíka priblíži k hmote Chandrasekhar, ktorá je asi 1,4-krát väčšia ako hmotnosť nášho slnka." Skutočnosť, že SNLS-03D3bb presahuje tento masový druh, otvára Pandorinu skrinku. “
Prečo väčšina Supernov typu Ia je rovnaká
Klasifikácia typov supernov je založená na ich spektrách. Spektrá typu Ia neobsahujú vodíkové vedenia, ale majú absorpčné línie kremíka, vodítko k chémii ich výbuchov. Predpokladá sa, že bieli trpaslí predkovia supernovy typu Ia, typicky asi dve tretiny hmotnosti Slnka, zvyšujú ďalšiu hmotu od binárneho spoločníka, až kým nedosiahnu hranicu Chandrasekhar. Zvyšujúci sa tlak spôsobuje, že uhlík a kyslík v strede hviezdy sa tavia a vytvárajú prvky až po nikel v periodickej tabuľke; energia uvoľnená v tomto procese fúka hviezdu na kusy v titánovej termonukleárnej explózii.
U supernov typu Ia sa pozorovali určité variácie, väčšinou sú však zlučiteľné. Jasnejší typ Ia trvá dlhšie, kým dosiahne maximálny jas a dlhší čas klesá. Keď sa časové stupnice jednotlivých svetelných kriviek roztiahnu tak, aby vyhovovali norme a jas sa upraví podľa úseku, svetelné krivky typu Ia sa zhodujú.
Rozdiely v jase môžu byť spôsobené rozdielnymi pomermi uhlíka a kyslíka v progenitoroch, čo vedie k rôznym konečným množstvám niklu pri explózii. Rádioaktívny rozpad niklu na kobalt a potom železo poháňa optické a blízko infračervené svetelné krivky typu Ia supernovy. Rozdiely v zdanlivej jasnosti môžu byť tiež produktmi asymetrie; explózia pri pohľade z jedného uhla môže byť mierne slabšia ako z iného uhla.
Žiadny z týchto možných rozdielov nestačí na vysvetlenie extrémnej jasnosti supernovy SNLS-03D3bb - čo je príliš jasné na jej „úsek“ svetelnej krivky. Navyše, vo väčšine jasnejších supernov sa hmota vyhodená z výbuchu pohybuje vyššou rýchlosťou; to znamená, že tieto výbuchy majú viac kinetickej energie. Avšak vyhadzovanie SNLS-03D3bb bolo nezvyčajne pomalé.
"Andy Howell dal dve a dve dohromady a uvedomil si, že SNLS-03D3bb musí mať super chandrasekharskú masu," hovorí Nugent.
Masa dôkazov
Jednou stopou boli prvky potrebné na vytvorenie extra jasu. "Všetka sila typu Ia pochádza zo spaľovania uhlíka a kyslíka ťažším prvkom, najmä niklu 56," hovorí Nugent. „Typ Ia normálneho jasu tvorí asi 60 percent solárnej hmoty v hodnote niklu 56, ostatné sú ostatné prvky. Ale SNLS-03D3bb je viac ako dvakrát jasnejšia ako normálne; musí mať viac ako dvakrát toľko niklu 56. Jediný spôsob, ako to dosiahnuť, je s progenitorom, ktorý je o 50 percent masívnejší ako hmotnosť v Chandrasekhare. “
Ďalším faktorom je spomalenie vysunutia SNLS-03D3bb, ako bolo zistené pri posúvaní elementárnych línií v jeho spektre. Rýchlosť vyhadzovania supernovy závisí od kinetickej energie uvoľnenej pri explózii, čo je rozdiel medzi energiou uvoľnenou pri termonukleárnom spaľovaní mínus väzobná energia, ktorá pôsobí na udržanie hviezdy pohromade, funkciou hmotnosti hviezdy. Čím hmotnejšia je hviezda, tým pomalšie je vyhadzovanie.
Ako by však mohol progenitor uhlík-kyslík niekedy akumulovať hmotu väčšiu ako je limit Chandrasekharu bez výbuchu? Je možné, že veľmi rýchlo sa otáčajúca hviezda môže byť hmotnejšia. Je tiež možné, že sa dvaja bieli trpaslíci s kombinovanou hmotou vysoko nad limitom Chandrasekhar mohli zraziť a explodovať.
Nugent hovorí: „Jedna stopa prišla od nášho spoluautora Marka Sullivana, ktorý už v údajoch SNLS našiel dve odlišné sadzby na výrobu supernovy typu Ia. Hrubo ich možno rozdeliť na tie, ktoré pochádzajú z mladých galaxií tvoriacich hviezdy a galaxií zo starých, mŕtvych galaxií. Existuje teda náznak, že môžu existovať dve populácie typu Ia, s dvoma typmi progenitorov a dvoma rôznymi cestami k výbuchu. “
V starých mŕtvych galaxiách sú aj tie najväčšie hviezdy malé, vysvetľuje Nugent. Jedinými druhmi supernov typu Ia, ktoré sú možné v týchto galaxiách, sú pravdepodobne binárny systém, hromadné narastanie, typ Chandrasekhar. Mladé galaxie tvoriace hviezdy však produkujú obrovské objekty a mohli by byť bohaté na binárne systémy bieleho trpaslíka a bieleho trpaslíka, takzvané systémy „dvojitého degenerovania“.
"Ak má model s dvojitou degeneráciou pravdu, takéto systémy budú vždy v týchto veľmi mladých galaxiách spôsobovať výbuchy super-Chandrasekhar," hovorí Nugent.
Mladé galaxie sa s väčšou pravdepodobnosťou vyskytujú v ranom vesmíre, a teda na väčšie vzdialenosti. Pretože vzdialené supernovy typu Ia sú rozhodujúce pre snahu merať vývoj temnej energie, je nevyhnutné jasne identifikovať supernovy typu Ia, ktoré sa nehodia k modelu Chandrasekharovej hmoty. Je to ľahké robiť s takou Ia typu ako SNLS-03D3bb, ale nie všetky super-chandrasekharské supernovye môžu byť také zrejmé.
„Jedným zo spôsobov, ako zistiť super-chandrasekharskú supernovu, je meranie rýchlosti vyhadzovania a jej porovnanie s jasom. Ďalším spôsobom je získavanie viacerých spektier s vývojom svetelnej krivky. Bohužiaľ, meranie spektra je najväčším nákladom v celom úsilí o štúdium temnej energie, “hovorí Nugent. „Dizajnéri týchto experimentov budú musieť nájsť účinné spôsoby, ako z ich vzoriek vylúčiť super-Chandrasekhar supernovae.“
Modelovanie variácií
Čiastočne v nádeji, že sa vyvinie rýchly a spoľahlivý spôsob identifikácie kandidáta supernovy typu Ia na kozmologický výskum, sa Nugent a spoluautor Richard Ellis pôvodne priblížili Sullivanovi a ďalším členom SNLS so svojou rozsiahlou databázou supernov. Nugent, ktorý pracoval v Národnom stredisku pre vedecký výskum v oblasti energetiky (NERSC) so sídlom v Berkeley Lab, vyvinul algoritmus, ktorý by mohol na začiatku vývoja kandidátskej supernovy zachytiť niekoľko fotometrických bodov, pozitívne ich identifikovať ako typ Ia a presne predpovedať čas maximálneho jasu.
Jeden z prvých študovaných typu Ia sa ukázal byť samotným SNLS-03D3bb. "Vďaka svojmu červenému posunu mal taký vysoký pomer signálu k šumu, že sme mali od začiatku podozrenie, že to bude nezvyčajná supernova," hovorí Nugent.
Nugent považuje objav prvej preukázateľnej super-chandrasekharskej supernovy za vzrušujúcu vyhliadku: „Prvýkrát od roku 1993“ - keď sa vyvinul vzťah medzi jasom a tvarom svetelnej krivky - „máme teraz silný smer, aby sme hľadali ďalší parameter, ktorý popisuje jas supernovy typu Ia. Toto hľadanie nás môže viesť k oveľa lepšiemu porozumeniu ich progenitorov a systematike ich použitia ako kozmologických sond. “
Toto porozumenie je jedným z hlavných cieľov konzorcia počítačovej astrofyziky, ktorého predsedom je Stan Woosley z Kalifornskej univerzity v Santa Cruz a ktorý je podporovaný programom Office of Science of Science prostredníctvom programu Scientific Discovery Through Advanced Computing (SciDAC), spolu s Nugent. a John Bell z oddelenia výpočtového výskumu a NERSC medzi poprednými partnermi.
„Model hviezdneho kolapsu Chandrasekhar z roku 1931 bol elegantný a výkonný; získal mu Nobelovu cenu, “hovorí Nugent. „Bol to však jednoduchý jednorozmerný model. Len pridaním rotácie je možné prekročiť omšu Chandrasekhar, ako sám uznal. “
Nugent hovorí, že s 2-D a 3-D modelmi supernov, ktoré sú teraz možné pomocou superpočítačov, je možné študovať širšiu škálu možností prírody. „To je cieľom nášho projektu SciDAC, získať tie najlepšie modely a najlepšie pozorovacie údaje a skombinovať ich tak, aby vytlačili celú guľu vosku. Na konci tohto projektu budeme vedieť, čo vieme o všetkých druhoch supernov typu Ia. “
„Supernova typu Ia z super-chandrasekharskej masovej hviezdy bieleho trpaslíka,“ D. Andrew Howell, Mark Sullivan, Peter E. Nugent, Richard S. Ellis, Alexander J. Conley, Damien Le Borgne, Raymond G. Carlberg, Julien Guy, David Balám, Stephane Basa, Dominique Fouchez, Isobel M. Hook, Eric Y. Hsiao, James D. Neill, Reynald Pain, Kathryn M. Perret a Christopher J. Pritchett. je k dispozícii online predplatiteľom.
Berkeley Lab je národné laboratórium amerického ministerstva energetiky so sídlom v Berkeley v Kalifornii. Vykonáva neklasifikovaný vedecký výskum a riadi ho Kalifornská univerzita. Navštívte našu webovú stránku na adrese http://www.lbl.gov.
Pôvodný zdroj: LBL News Release
