Oppdagelsen av mørk energi, en mystisk kraft som akselererer utvidelsen av universet, var basert på observasjoner av supernovaer av type 1a, og disse stjernene eksplosjonene har lenge blitt brukt som "standardlys" for å måle ekspansjonen. En ny studie avslører kilder til variabilitet i disse supernovaene, og for å undersøke naturen til mørk energi og bestemme om den er konstant eller variabel over tid, vil forskere måtte finne en måte å måle kosmiske avstander med mye større presisjon enn de har i fortiden.
"Når vi begynner på neste generasjon av kosmologiske eksperimenter, vil vi bruke supernovaer av type 1a som veldig følsomme mål for avstand," sa hovedforfatter Daniel Kasen, fra en studie publisert i Nature denne uken. "Vi vet at de ikke alle har samme lysstyrke, og vi har måter å korrigere for det, men vi må vite om det er systematiske forskjeller som kan forspente avstandsmålingene. Så denne studien undersøkte hva som forårsaker disse forskjellene i lysstyrke. "
Kasen og hans coauthors – Fritz Röpke fra Max Planck Institute for Astrophysics i Garching, Tyskland, og Stan Woosley, professor i astronomi og astrofysikk ved UC Santa Cruz - brukte superdatamaskiner for å kjøre dusinvis av simuleringer av type 1a supernovaer. Resultatene indikerer at mye av mangfoldet observert i disse supernovaene skyldes den kaotiske natur av prosessene som er involvert og den resulterende asymmetri av eksplosjonene.
For det meste ville ikke denne variabiliteten produsere systematiske feil i måleundersøkelser så lenge forskere bruker stort antall observasjoner og anvender standardkorreksjonene, sa Kasen. Studien fant en liten, men potensielt bekymringsfull effekt som kan være resultat av systematiske forskjeller i kjemiske sammensetninger av stjerner på forskjellige tidspunkter i universets historie. Men forskere kan bruke datamaskinmodellene for å karakterisere denne effekten ytterligere og utvikle korreksjoner for den.
En supernova av type 1a oppstår når en hvit dvergstjerne skaffer seg ekstra masse ved å sile fra seg en følgesvenn. Når den når en kritisk masse - 1,4 ganger solenes masse, pakket inn i en gjenstand på jordens størrelse - varme og trykk i midten av stjernen utløser en løpsk kjernefusjonsreaksjon, og den hvite dvergen eksploderer. Siden de opprinnelige forholdene er omtrent de samme i alle tilfeller, har disse supernovaene en tendens til å ha den samme lysstyrken, og deres "lyskurver" (hvordan lysstyrken endrer seg over tid) er forutsigbare.
Noen er i orden lysere enn andre, men disse blusser og falmer saktere, og denne korrelasjonen mellom lysstyrkens lysstyrke og bredde gjør at astronomer kan bruke en korreksjon for å standardisere observasjonene. Så astronomer kan måle lyskurven til en supernova av type 1a, beregne dens egen lysstyrke og deretter bestemme hvor langt den er, siden den tilsynelatende lysstyrken avtar med avstand (akkurat som et stearinlys virker dimmere på avstand enn på nært hold) .
Datamodellene som ble brukt for å simulere disse supernovaene i den nye studien er basert på nåværende teoretisk forståelse av hvordan og hvor tenningsprosessen begynner inne i den hvite dvergen og hvor den gjør overgangen fra langsomt brennende forbrenning til eksplosiv detonasjon.
Simuleringene viste at asymmetrien til eksplosjonene er en nøkkelfaktor som bestemmer lysstyrken til supernovaer av type 1a. "Årsaken til at disse supernovene ikke er like lysstyrke er nært knyttet til dette bruddet av sfærisk symmetri," sa Kasen.
Den dominerende kilden til variabilitet er syntesen av nye elementer under eksplosjonene, som er følsomme for forskjeller i geometrien til de første gnistene som tenner en termonukleær rømming i den simmerende kjernen av den hvite dvergen. Nikkel-56 er spesielt viktig, fordi det radioaktive forfallet av denne ustabile isotopen skaper etterslokk som astronomer er i stand til å observere i måneder eller til og med år etter eksplosjonen.
"Forfallet av nikkel-56 er det som styrker lyskurven. Eksplosjonen er over i løpet av sekunder, så det vi ser er resultatet av hvordan nikkelen varmer ruskene og hvordan søppelet stråler lys, ”sa Kasen.
Kasen utviklet datakoden for å simulere denne strålende overføringsprosessen, ved å bruke utdata fra de simulerte eksplosjonene for å produsere visualiseringer som kan sammenlignes direkte med astronomiske observasjoner av supernovaer.
Den gode nyheten er at variabiliteten som sees i datamaskinmodellene stemmer overens med observasjoner av supernovaer av type 1a. - Det viktigste er at bredde og topp lysstyrke på lyskurven er korrelert på en måte som stemmer overens med det observatørene har funnet. Så modellene stemmer overens med observasjonene som oppdagelsen av mørk energi var basert på, ”sa Woosley.
En annen kilde til variabilitet er at disse asymmetriske eksplosjonene ser forskjellige ut når de sees i forskjellige vinkler. Dette kan forklare forskjeller i lysstyrke på så mye som 20 prosent, sa Kasen, men effekten er tilfeldig og skaper spredning i målingene som statistisk kan reduseres ved å observere store antall supernovaer.
Potensialet for systematisk skjevhet kommer først og fremst fra variasjon i den innledende kjemiske sammensetningen av den hvite dvergstjernen. Tyngre elementer blir syntetisert under supernovaeksplosjoner, og rusk fra disse eksplosjonene blir innlemmet i nye stjerner. Som et resultat vil stjerner dannet nylig sannsynligvis inneholde mer tunge elementer (høyere "metallisitet", i astronomenes terminologi) enn stjerner som ble dannet i fjern fortid.
"Det er den typen ting vi forventer å utvikle seg over tid, så hvis du ser på fjerne stjerner som tilsvarer mye tidligere tider i universets historie, ville de ha en lavere metallisitet," sa Kasen. "Da vi beregnet effekten av dette i modellene våre, fant vi ut at de resulterende feilene i avstandsmålingene ville være i størrelsesorden 2 prosent eller mindre."
Ytterligere studier som bruker datasimuleringer vil gjøre det mulig for forskere å karakterisere effektene av slike variasjoner mer detaljert og begrense deres innvirkning på fremtidige mørkeenergiforsøk, noe som kan kreve et presisjonsnivå som vil gjøre feil på 2 prosent uakseptable.
Kilde: EurekAlert
