Bildekreditt: LBL
Ved å måle polarisert lys fra en uvanlig eksploderende stjerne, har et internasjonalt team av astrofysikere og astronomer jobbet frem det første detaljerte bildet av en Type Ia-supernova og det karakteristiske stjernesystemet der det eksploderte.
Ved å bruke European Southern Observatory’s Very Large Telescope i Chile, bestemte forskerne at supernova 2002ic eksploderte inne i en flat, tett, klumpete skive med støv og gass, som tidligere ble blåst bort fra en ledsagerstjerne. Arbeidet deres antyder at dette og noen andre forløpere til supernovaer av type Ia ligner gjenstandene kjent som protoplanetære tåker, godt kjent i vår egen Melkeveis galakse.
Lifan Wang fra Lawrence Berkeley National Laboratory, Dietrich Baade fra European Southern Observatory (ESO), Peter H? Flich og J. Craig Wheeler fra University of Texas i Austin, Koji Kawabata fra National Astronomical Observatory of Japan, og Ken'ichi Nomoto fra University of Tokyo rapporterte om sine funn i utgaven av Astrophysical Journal Letters 20. mars 2004.
Støper supernovaer for å skrive
Supernovaer er merket i henhold til elementene som er synlige i deres spektra: Type I-spektre mangler hydrogenlinjer, mens Type II-spektre har disse linjene. Det som gjør SN 2002ic uvanlig er at spekteret ellers ligner en typisk supernova av type Ia, men viser en sterk hydrogenutslippslinje.
Type II og noen andre supernovaer oppstår når kjernen til veldig massive stjerner kollapser og eksploderer, og etterlater seg ekstremt tette nøytronstjerner eller til og med sorte hull. Supernovaer av type I eksploderer imidlertid av en veldig annen mekanisme.
"En type Ia-supernova er en metallisk ildkule," forklarer Berkeley Labs Wang, en pioner innen området supernova-spektropolarimetri. “En type Ia har ikke hydrogen eller helium, men mye jern, pluss radioaktivt nikkel, kobolt og titan, litt silisium og litt karbon og oksygen. Så en av forfedrene må være en gammel stjerne som har utviklet seg til å etterlate en karbon-oksygen hvit dverg. Men karbon og oksygen, som kjernebrensel, brenner ikke lett. Hvordan kan en hvit dverg eksplodere? ”
De mest aksepterte Type Ia-modellene antar at den hvite dvergen - omtrent som jordens størrelse, men som pakker mesteparten av solens masse - henter ut saken fra en omløpende ledsager til den når 1,4 solmasser, kjent som Chandrasekhar-grensen. Den nå superdense, hvite dvergen tennes i en mektig termonukleær eksplosjon, og etterlater ingenting annet enn stardust.
Andre ordninger inkluderer sammenslåing av to hvite dverger eller til og med en ensom, hvit dverg som gjenskaper saken som skur av det yngre jeget. Til tross for tre tiår med leting, frem til funnet og påfølgende spektropolarimetriske studier av SN 2002ic, var det imidlertid ingen faste bevis for noen modell.
I november 2002 rapporterte Michael Wood-Vasey og hans kolleger i Department of Energy's nærliggende Supernova-fabrikk basert på Berkeley Lab om funnet av SN 2002ic, kort tid etter at eksplosjonen ble oppdaget nesten en milliard lysår unna i en anonym galakse i konstellasjonen Fiskene.
I august 2003 rapporterte Mario Hamuy fra Carnegie Observatories og hans kolleger at kilden til den rikholdige hydrogenrike gassen i SN 2002ic sannsynligvis var en såkalt Asymptotic Giant Branch (AGB) -stjerne, en stjerne i de siste fasene av livet, med tre til åtte ganger solens masse - bare den typen stjerne som etter at den har blåst bort de ytre lagene med hydrogen, helium og støv, etterlater seg en hvit dverg.
Dessuten var denne tilsynelatende selvmotsigende supernovaen - en type Ia med hydrogen - faktisk lik de andre hydrogenrike supernovaene som tidligere ble kalt Type IIn. Dette antydet igjen at selv om Type Ia-supernovaer faktisk er bemerkelsesverdig like, kan det være store forskjeller mellom deres forfedre.
Fordi type Ia-supernovaer er så like og så lyse - så lyse eller lysere enn hele galakser - har de blitt de viktigste astronomiske standardlysene for å måle kosmiske avstander og utvidelsen av universet. Tidlig i 1998, etter å ha analysert dusinvis av observasjoner av fjerne type Ia-supernovaer, kunngjorde medlemmer av Department of Energys Supernova Cosmology Project basert på Berkeley Lab, sammen med sine rivaler i High-Z Supernova Search Team med base i Australia, den forbløffende oppdagelsen som universets utvidelse akselererer.
Kosmologer slo deretter fast at over to tredjedeler av universet består av et mystisk noe kalt "mørk energi", som strekker plass og driver den akselererende ekspansjonen. Men å lære mer om mørk energi vil avhenge av nøye studier av mange fjernere supernovaer av type Ia, inkludert bedre kunnskap om hva slags stjernesystemer som utløser dem.
Bildestruktur med spektropolarimetri
Spektropolarimetrien til SN 2002ic har gitt det mest detaljerte bildet av et type Ia-system ennå. Polarimetri måler orienteringen av lysbølger; Polaroid solbriller “måler” for eksempel horisontal polarisering når de blokkerer noe av lyset som reflekteres fra flate overflater. I et objekt som en sky av støv eller en fantastisk eksplosjon, reflekteres imidlertid ikke lys fra overflater, men spredt fra partikler eller fra elektroner.
Hvis støvskyen eller eksplosjonen er sfærisk og jevn, er alle retninger like representert og nettpolarisasjonen er null. Men hvis objektet ikke er sfærisk - formet som en plate eller en sigar, for eksempel - vil mer lys svinge i noen retninger enn i andre.
Selv for ganske merkbare asymmetrier overstiger nettopolarisering sjelden én prosent. Dermed var det en utfordring for ESO-spektropolarimetriinstrumentet å måle svakt SN 2002ic, til og med å bruke det kraftige Very Large Telescope. Det tok flere timers observasjon på fire forskjellige netter å skaffe nødvendig polarimetri- og spektroskopidata av høy kvalitet.
Teamets observasjoner kom nesten et år etter at SN 2002ic ble oppdaget første gang. Supernovaen hadde blitt mye svakere, men den fremtredende hydrogenutslippslinjen var seks ganger lysere. Med spektroskopi bekreftet astronomene observasjonen av Hamuy og hans medarbeidere, at ejecta som ekspanderte utover fra eksplosjonen med høy hastighet, hadde løpt inn i omkringliggende tykk, hydrogenrik materie.
Bare de nye polarimetriske studiene kunne imidlertid avsløre at det meste av denne saken var formet som en tynn disk. Polariseringen skyldtes sannsynligvis samspillet mellom høyhastighets ejecta fra eksplosjonen med støvpartiklene og elektronene i det saktere bevegelige omgivelsene. På grunn av måten hydrogenlinjen hadde lyst på lenge etter at supernovaen først ble observert, slo astronomene ut at disken inkluderte tette klumper og hadde vært på plass i god tid før den hvite dvergen eksploderte.
"Disse oppsiktsvekkende resultatene antyder at stamfaren til SN 2002ic var bemerkelsesverdig lik gjenstander som er kjent for astronomer i vår egen Melkevei, nemlig protoplanetære tåker," sier Wang. Mange av disse nebularene er restene av de bortblåste ytre skjellene fra Asymptotic Giant Branch-stjerner. Slike stjerner, hvis de roterer raskt, kaster av seg tynne, uregelmessige disker.
Et spørsmål om timing
For en hvit dverg å samle inn nok materiale til å nå Chandrasekhar-grensen tar en million år eller så. Derimot mister en AGB-stjerne store mengder materie relativt raskt; den protoplanetære nebelfasen er forbigående, og varer bare noen hundre eller tusenvis av år før den avblåste saken forsvinner. "Det er et lite vindu," sier Wang, ikke lenge nok til at den resterende kjernen (i seg selv en hvit dverg) rekrutterer nok materiale til å eksplodere.
Dermed er det mer sannsynlig at en hvit dvergkompis i SN 2002-systemet allerede hadde travlt å samle inn materie lenge før nebulaen dannet seg. Fordi den protoplanetære fasen bare varer noen hundre år, og forutsatt at en Type Ia-supernova vanligvis tar en million år å utvikle seg, er det bare omtrent en promille av alle Type Ia-supernovaer som forventes å ligne SN 2002ic. Færre fremdeles vil ha sine spesifikke spektrale og polarimetriske trekk, selv om "det ville være ekstremt interessant å søke etter andre type Ia-supernovaer med omskjærende materie," sier Wang.
Likevel, sier Dietrich Baade, hovedetterforsker av polarimetri-prosjektet som brukte VLT, "det er antakelsen at alle Type Ia-supernovaer i utgangspunktet er de samme som gjør at observasjonene fra SN 2002ic kan forklares."
Binære systemer med forskjellige baneegenskaper og forskjellige typer følgesvenner i forskjellige stadier av stjernevolusjonen kan fortsatt gi opphav til lignende eksplosjoner, gjennom akkresjonsmodellen. Merkar Baade, "Det tilsynelatende særegne tilfellet med SN 2002ic gir sterke bevis på at disse objektene faktisk er veldig like, som den fantastiske likheten mellom lyskurvene deres antyder."
Ved å vise fordelingen av gassen og støvet, har spektropolarimetri vist hvorfor supernovaer av type Ia er så mye, selv om massene, aldrene, evolusjonsstatene og banene i deres forløpersystemer kan variere så vidt.
Berkeley Lab er et amerikansk Department of Energy nasjonalt laboratorium som ligger i Berkeley, California. Den driver uklassifisert vitenskapelig forskning og ledes av University of California. Besøk vår hjemmeside på http://www.lbl.gov.
Originalkilde: Berkeley Lab News Release
