Astronomer trodde at alle supernovaer av type 1a i hovedsak hadde samme lysstyrke. Dette er et problem, siden denne typen supernovaer brukes som standardlys, for å bestemme avstander over hele universet. Senest har disse supernovene blitt brukt til å beregne den mystiske kraften som kalles mørk energi som ser ut til å akselerere utvidelsen av universet.
En gruppe forskere tilknyttet SuperNova Legacy Survey (SNLS) har funnet oppsiktsvekkende bevis på at det er mer enn en type Type Ia-supernova, en klasse med eksploderende stjerner som til nå har blitt ansett som essensielt enhetlige i alle viktige henseender. Supernova SNLS-03D3bb er mer enn dobbelt så lys som de fleste Type Ia-supernovaer, men har mye mindre kinetisk energi, og ser ut til å være halvparten så massiv som en typisk Type Ia.
Ledende forfattere av rapporten, som vises i 21. september-utgaven av Nature, inkluderer Andrew Howell, tidligere fysikkdivisjon ved Lawrence Berkeley National Laboratory og nå ved University of Toronto, og Peter Nugent, en astrofysiker med Berkeley Labs Computational Research Inndeling. Andre hovedforfattere er Mark Sullivan ved University of Toronto og Richard Ellis fra California Institute of Technology. Disse og mange av de andre forfatterne av Nature-papiret er medlemmer av Supernova Cosmology Project basert på Berkeley Lab.
Fordi nesten alle Type Ia-supernovaer som hittil er funnet, ikke bare er bemerkelsesverdig lyse, men bemerkelsesverdig ensartede i lysstyrken, blir de sett på som de beste astronomiske "standardlysene" for måling over kosmologiske avstander. I 1998, etter observasjoner av mange fjerne Type Ia-supernovaer, kunngjorde Supernova Cosmology Project og det rivaliserende High-Z Supernova Search Team deres oppdagelse om at utvidelsen av universet akselererer - et funn som snart vil tilskrives det ukjente noe som heter mørkt energi, som fyller universet og motsetter seg gjensidig tyngdekraftsattraksjon.
"Type Ia-supernovaer er antatt å være pålitelige avstandsindikatorer fordi de har en standard mengde drivstoff - karbon og oksygen i en hvit dvergstjerne - og de har en ensartet trigger," sier Nugent. De er spådd om å eksplodere når massen til den hvite dvergen nær Chandrasekhar-massen, som er omtrent 1,4 ganger massen til solen vår. Det at SNLS-03D3bb er godt over den masse typen, åpner opp en Pandoras boks. "
Hvorfor de fleste type Ia Supernovae er de samme
Klassifisering av supernovatyper er basert på deres spektre. Type Ia-spektre har ingen hydrogenlinjer, men har silisiumabsorpsjonslinjer, en ledetråd til kjemien til eksplosjonene deres. De hvite dvergforfedrene av type Ia-supernovaer, typisk omtrent to tredjedeler av solens masse, antas å anskaffe ytterligere masse fra en binær følgesvenn til de nærmer seg Chandrasekhar-grensen. Økende trykk får karbon og oksygen i midten av stjernen til å smelte sammen, og produserer elementene opp til nikkel på det periodiske bordet; energien som frigjøres i denne prosessen blåser stjernen i stykker i en titanisk termonukleær eksplosjon.
Noen variasjoner er observert i type Ia supernovaer, men disse er for det meste forenelige. Lysere type Ia tar lengre tid å stige til maksimal lysstyrke og lengre tid å redusere. Når tidsskalaene for individuelle lyskurver strekkes for å passe til normen, og lysstyrken skaleres i henhold til strekningen, samsvarer type Ia lyskurver.
Lysstyrkeforskjeller kan skyldes forskjellige forhold mellom karbon og oksygen i forfedrene, noe som resulterer i forskjellige sluttmengder av nikkel i eksplosjonen. Det radioaktive forfallet av nikkel til kobolt og deretter jern driver de optiske og nærinfrarøde lyskurvene til type Ia supernovaer. Forskjeller i tilsynelatende lysstyrke kan også være produkter av asymmetri; en eksplosjon sett fra en vinkel kan være svakere enn fra en annen.
Ingen av disse mulige forskjellene er nok til å forklare supernova SNLS-03D3bbs ekstreme lysstyrke - som er altfor lys for sin "kurve" strekning. Videre, i de fleste lysere supernovaer, strømmer saken ut fra eksplosjonen med en høyere hastighet; det vil si at disse eksplosjonene har mer kinetisk energi. Men utløsningen til SNLS-03D3bb var uvanlig treg.
"Andy Howell satte to og to sammen og innså at SNLS-03D3bb må ha super-Chandrasekhar-masse," sier Nugent.
Bevismassen
En ledetråd var elementene som trengs for å gi den ekstra lysstyrken. "All kraften i en type Ia kommer fra forbrenning av karbon og oksygen til tyngre elementer, spesielt nikkel 56," sier Nugent. “En type Ia med normal lysstyrke utgjør omtrent 60 prosent av en solmasse verdt av nikkel 56, resten er andre elementer. Men SNLS-03D3bb er mer enn dobbelt så lys som normalt; det må ha mer enn dobbelt så mye nikkel 56. Den eneste måten å få til det på er med en stamfader som er 50 prosent mer massiv enn Chandrasekhar-massen. ”
Den andre faktoren er tregheten i SNLS-03D3bbs ejecta, som oppdaget ved forskyvning av elementale linjer i sitt spekter. Hastigheten til supernova ejecta avhenger av den kinetiske energien som frigjøres i eksplosjonen, som er forskjellen mellom energien som frigjøres i termonukleær forbrenning minus den bindende energien som virker for å holde stjernen sammen, en funksjon av stjernens masse. Jo mer massiv stjernen er, desto saktere blir ejecta.
Men hvordan kunne en karbon-oksygenforfanger noensinne akkumulere masse større enn Chandrasekhar-grensen uten å eksplodere? Det er mulig at en veldig raskt spinnende stjerne kan være mer massiv. Det er også mulig at to hvite dverger, med en kombinert masse godt over Chandrasekhar-grensen, kan kollidere og eksplodere.
Nugent sier: "En ledetråd kom fra vår medforfatter Mark Sullivan, som i SNLS-data allerede hadde funnet to distinkte priser for produksjonen av Type Ia supernova. De kan grovt deles inn i de som kommer fra unge stjernedannende galakser og de fra gamle, døde galakser. Så det er en indikasjon på at det kan være to populasjoner av type Ia, med to typer forfedre, og to forskjellige veier for eksplosjon. "
I gamle, døde galakser er selv de største stjernene små, forklarer Nugent. De eneste typene supernovaer av type Ia som er mulig i disse galaksene, er sannsynligvis den binære system, massetilvekkende, Chandrasekhar-massetypen. Men unge stjernedannende galakser produserer massive gjenstander og kan være rike på hvit-dverg pluss hvit-dverg binære systemer, såkalte “dobbeltdegenererte” systemer.
"Hvis den dobbelgenererte modellen er riktig, vil slike systemer alltid produsere super-Chandrasekhar-eksplosjoner i disse veldig unge galaksene," sier Nugent.
Det er mer sannsynlig at unge galakser blir funnet i det tidlige universet, og dermed på større avstander. Siden fjerne type Ia-supernovaer er avgjørende for arbeidet med å måle utviklingen av mørk energi, blir det viktig å tydelig identifisere Type Ia-supernovaer som ikke passer til Chandrasekhar-massemodellen. Dette er enkelt å gjøre med en type Ia så underlig som SNLS-03D3bb, men ikke alle super-Chandrasekhar supernovaer kan være så åpenbare.
“En måte å oppdage super-Chandrasekhar supernovaer er ved å måle ejecta-hastighet og sammenligne den med lysstyrke. En annen måte er å ta flere spektra etter hvert som lyskurven utvikler seg. Dessverre er det å ta spektre den største utgiften i hele jakten på studier av mørk energi, sier Nugent. "Designerne av disse eksperimentene må finne effektive måter å eliminere super-Chandrasekhar supernovaer fra prøvene sine på."
Modellering av variasjonene
Det var delvis i håp om å utvikle en rask og pålitelig måte å identifisere kandidat Type Ia-supernovaer for kosmologisk forskning at Nugent og medforfatter Richard Ellis opprinnelig henvendte seg til Sullivan og andre medlemmer av SNLS, med sin store database av supernovaer. Arbeidet ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) basert på Berkeley Lab, utviklet Nugent en algoritme som kunne ta en håndfull fotometriske datapunkter tidlig i utviklingen av en kandidat-supernova, positivt identifisere den som en type Ia, og nøyaktig forutsi tiden for maksimal lysstyrke.
En av de første Type Ia som ble studert på denne måten viste seg å være selve SNLS-03D3bb. "Det hadde et så høyt signal-til-støy-forhold gitt den røde forskyvningen at vi fra begynnelsen burde ha mistenkt at det skulle bli en uvanlig supernova," sier Nugent.
Nugent ser på oppdagelsen av den første påviselige super-Chandrasekhar supernovaen som et spennende prospekt: "For første gang siden 1993" - da forholdet mellom lys og kurveform ble utviklet - "har vi nå en sterk retning for å se etter den neste parameter som beskriver lysstyrken til en Type Ia-supernova. Dette søket kan føre til en mye bedre forståelse av deres forfedre, og systematikken for å bruke dem som kosmologiske sonder. "
Denne forståelsen er et av hovedmålene for Computational Astrophysics Consortium, ledet av Stan Woosley fra University of California i Santa Cruz og støttet av Department of Energy's Office of Science gjennom Scientific Discovery Through Advanced Computing (SciDAC) -programmet, med Nugent og John Bell fra Computation Research Division og NERSC blant de ledende partnerne.
"Chandrasekhar's 1931-modell for stjernekollaps var elegant og kraftig; den vant ham Nobelprisen, sier Nugent. ”Men det var en enkel endimensjonal modell. Bare ved å legge til rotasjon kan man overskride Chandrasekhar-massen, som han selv anerkjente. ”
Med 2-D og 3D-modeller av supernovaene nå mulig med superdatamaskiner, sier Nugent, er det mulig å studere et bredere spekter av naturens muligheter. "Det er målet med SciDAC-prosjektet vårt, å få de beste modellene og de beste observasjonsdataene og kombinere dem for å skyve hele vokskulen. På slutten av dette prosjektet vet vi det meste vi kan vite om alle slags Type Ia-supernovaer. "
“En type-Ia Supernova fra en super-Chandrasekhar masse hvit dvergstjerne,” av D. Andrew Howell, Mark Sullivan, Peter E. Nugent, Richard S. Ellis, Alexander J. Conley, Damien Le Borgne, Raymond G. Carlberg, Julien Guy, David Balam, Stephane Basa, Dominique Fouchez, Isobel M. Hook, Eric Y. Hsiao, James D. Neill, Reynald Pain, Kathryn M. Perret og Christopher J. Pritchett, vises i utgaven 21. september av Nature and er tilgjengelig online for abonnenter.
Berkeley Lab er et amerikansk Department of Energy nasjonalt laboratorium lokalisert i Berkeley, California. Den driver uklassifisert vitenskapelig forskning og ledes av University of California. Besøk vår hjemmeside på http://www.lbl.gov.
Originalkilde: LBL News Release
