Når stjerner når slutten av livssyklusen, vil mange blåse av sine ytre lag i en eksplosiv prosess kjent som en supernova. Mens astronomer har lært mye om dette fenomenet, takket være sofistikerte instrumenter som er i stand til å studere dem i flere bølgelengder, er det fremdeles mye vi ikke vet om supernovaer og restene av dem.
For eksempel er det fremdeles uavklarte spørsmål om mekanismene som driver de resulterende sjokkbølgene fra en supernova. Imidlertid brukte et internasjonalt team av forskere nylig data innhentet av Chandra X-Ray Observatory av en nærliggende supernova (SN1987A) og nye simuleringer for å måle temperaturen på atomene i den resulterende sjokkbølgen.
Studien, med tittelen “Kollisjonsløs sjokkoppvarming av tunge ioner i SN 1987A”, dukket nylig opp i det vitenskapelige tidsskriftet Natur. Teamet ble ledet av Marco Miceli og Salvatore Orlando fra University of Palermo, Italia, og var sammensatt av medlemmer fra National Institute of Astrophysics (INAF), Institute for Applied Problem in Mechanics and Mathematics, og Pennsylvania State og Northwestern University .
For studiens skyld kombinerte teamet Chandra-observasjoner av SN 1987A med simuleringer for å måle temperaturen på atomer i supernovas sjokkbølge. På denne måten bekreftet teamet at temperaturen på atomene er relatert til deres atomvekt, et resultat som svarer på et langvarig spørsmål om sjokkbølger og mekanismene som driver dem.
Som David Burrows, professor i astronomi og astrofysikk ved Penn State og en medforfatter på studien, sa i en pressemelding fra Penn State:
“Supernova-eksplosjoner og deres rester gir kosmiske laboratorier som gjør oss i stand til å utforske fysikk under ekstreme forhold som ikke kan dupliseres på jorden. Moderne astronomiske teleskoper og instrumentering, både bakkebaserte og rombaserte, har gjort det mulig for oss å utføre detaljerte studier av supernova-rester i vår galakse og nærliggende galakser. Vi har utført jevnlige observasjoner av supernovarest SN1987A ved å bruke NASAs Chandra X-ray Observatory, det beste røntgenteleskopet i verden, siden kort tid etter at Chandra ble lansert i 1999, og brukte simuleringer for å svare på langvarige spørsmål om sjokkbølger. ”
Når større stjerner gjennomgår gravitasjonskollaps, skyter den resulterende eksplosjonen materiale utover i hastigheter på opptil en tiendedel av lysets hastighet, og skyver sjokkbølger inn i den omkringliggende interstellare gassen. Der sjokkbølgen møter den saktegående gassen som omgir stjernen, har du "sjokkfronten". Denne overgangssonen varmer opp den kalde gassen til millioner av grader og fører til utslipp av røntgenstråler som kan observeres.
I en tid har astronomer vært interessert i denne regionen av en supernovas sjokkbølge, siden den markerer overgangen mellom den eksplosive kraften til en døende stjerne og den omliggende gassen. Som Burrows likte det:
“Overgangen ligner den man observerer i en kjøkkenvask når en høyhastighets strøm av vann treffer vasken og flyter jevnt utover til den brått hopper i høyden og blir turbulent. Sjokkfronter er blitt studert mye i jordens atmosfære, der de forekommer over et ekstremt smalt område. Men i verdensrommet er sjokkoverganger gradvis og påvirker kanskje ikke atomer av alle elementer på samme måte. ”
Ved å undersøke temperaturene til forskjellige elementer bak en supernovas sjokkfront, håper astronomer å forbedre vår forståelse av sjokkprosessens fysikk. Selv om elementenes temperaturer ble forventet å være proporsjonal med atomvekten, har det vært vanskelig å få nøyaktige målinger. Tidligere studier har ikke bare ført til motstridende resultater, de har heller ikke klart å inkludere de tunge elementene i analysene.
For å adressere dette så teamet på Supernova SN1987A, som ligger i Stor Magellanic Cloud og ble først tydelig i 1987. Det i tillegg til å være den første supernovaen som var synlig for det blotte øye siden Keplers Supernova (1604), var det først å bli studert i alle bølgelengder av lys (fra radiobølger til røntgenstråler og gammabølger) med moderne teleskoper.
Mens tidligere modeller av SN 1987A typisk har vært avhengig av enkeltobservasjoner, brukte forskerteamet tredimensjonale numeriske simuleringer for å vise supernovaens utvikling. De sammenlignet deretter disse med røntgenobservasjoner levert av Chandra for nøyaktig å måle atomtemperaturene, noe som bekreftet deres forventninger.
"Vi kan nå måle temperaturene til elementer som er så tunge som silisium og jern, og har vist at de faktisk følger forholdet at temperaturen til hvert element er proporsjonal med atomvekten til dette elementet," sa Burrows. "Dette resultatet avgjør et viktig tema i forståelsen av astrofysiske sjokkbølger og forbedrer vår forståelse av sjokkprosessen."
Denne siste studien representerer et betydelig skritt for astronomer, og bringer dem nærmere en forståelse av mekanikken til en supernova. Ved å låse opp hemmelighetene deres, lærer vi mer om en prosess som er grunnleggende for den kosmiske evolusjonen, som er hvordan stjerners død påvirker det omkringliggende universet.
