Supernovaer er noen av de mest energiske og kraftfulle hendelsene i det observerbare universet. Og selv om vi vet at supernovaer er ansvarlige for å skape de tunge elementene som er nødvendige for alt fra planeter til mennesker til elektroverktøy, har forskere lenge kjempet for å bestemme mekanikken bak den plutselige kollaps og den påfølgende eksplosjonen av massive stjerner.
Nå, takket være NASAs NuSTAR-oppdrag, har vi våre første solide ledetråder til hva som skjer før en stjerne går "boom."
Bildet over viser supernova-resten Cassiopeia A (eller Cas A i korte trekk) med NuSTAR-data i blått og observasjoner fra Chandra røntgenobservatorium i rødt, grønt og gult. Det er sjokkbølgen som er igjen fra eksplosjonen av en stjerne omtrent 15 til 25 ganger mer massiv enn vår sol for over 330 år siden *, og den gløder i forskjellige bølgelengder av lys avhengig av temperaturer og typer elementer som er til stede.
Tidligere observasjoner med Chandra avslørte røntgenutslipp fra ekspanderende skjell og filamenter av varm jernrik gass i Cas A, men de kunne ikke titte dypt nok til å få et bedre inntrykk av hva som er inne i strukturen. Det var ikke før NASAs Nuclear Spectroscopic Telescope Array - det er NuSTAR for de som er kjent - vendte røntgenvisjonen på Cas A at de manglende puslespillbrettene ble funnet.
Og de er laget av radioaktivt titan.
Det er laget mange modeller (bruker millioner av timers superdatatid) for å forsøke å forklare supernovas fra kjernekollaps. En av de ledende har stjernen revet fra hverandre av kraftige jetfly som skyter fra polene - noe som er assosiert med enda kraftigere (men fokuserte) gammastråler. Men det så ikke ut til at jetfly var årsaken til Cas A, som ikke viser elementære rester innenfor jetstrukturene sine ... og dessuten resulterte ikke modellene som er avhengige av jetfly ikke alltid i en fullblåst supernova.
Når det viser seg, viser tilstedeværelsen av asymmetriske klumper av radioaktivt titan dypt inne i skjellene til Cas A, avslørt i høyenergiske røntgenbilder av NuSTAR, en pekepinn på en overraskende annerledes prosess: "sloshing" av materiale i stamfaren stjerne som kickstarts en sjokkbølge, til slutt rive den fra hverandre.
Se en animasjon av hvordan denne prosessen skjer:
Sloshing, som skjer over et tidsrom på bare et par hundre millisekunder - bokstavelig talt med et øyeblikk - blir liknet med kokende vann på en komfyr. Når boblene bryter gjennom overflaten, oppstår dampen.
Bare i dette tilfellet fører utbruddet til den sinnsykt kraftige detonasjonen av en hel stjerne, sprengning av en sjokkbølge av høyt energi partikler i det interstellare mediet og sprer et periodisk bord full av tunge elementer i galaksen.
Når det gjelder Cas A ble titan-44 kastet ut, i klumper som gjenspeiler formen på den opprinnelige sloshing-asymmetrien. NuSTAR var i stand til å avbilde og kartlegge titanet, som lyser i røntgenbilder på grunn av radioaktiviteten (og ikke fordi den er oppvarmet av utvidede sjokkbølger, som andre lysere elementer som er synlige for Chandra.)
"Inntil vi hadde NuSTAR, kunne vi ikke virkelig se ned i kjernen av eksplosjonen," sa Caltech-astronom Brian Grefenstette under en NASA-telekonferanse 19. februar.
"Tidligere var det vanskelig å tolke hva som foregikk i Cas A fordi materialet som vi kunne se bare lyser i røntgenstråler når det varmet opp. Nå som vi kan se det radioaktive materialet, som lyser i røntgenbilder uansett hva, får vi et mer fullstendig bilde av hva som skjedde i kjernen av eksplosjonen. "
- Brian Grefenstette, hovedforfatter, Caltech
Ok, så flott, sier du. NASAs NuSTAR har funnet gløden av titan i restene av en oppblåst stjerne, Chandra så litt jern, og vi vet at det slynget seg og 'kokte' et brøkdel av et sekund før det eksploderte. Hva så?
"Nå bør du bry deg om dette," sa astronom Robert Kirshner fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. “Supernovaer lager de kjemiske elementene, så hvis du kjøpte en amerikansk bil, ble den ikke laget i Detroit for to år siden; jernatomene i det stål ble produsert i en eldgammel supernovaeksplosjon som fant sted for fem milliarder år siden. Og NuSTAR viser at titanet som er i din onkel Jacks erstatterte hofte ble laget i den eksplosjonen også.
”Vi er alle stjerneklare, og NuSTAR viser oss hvor vi kom fra. Inkludert våre reservedeler. Så du bør bry deg om dette ... og det samme skal onkel Jack. "
Og det er ikke bare kjernekollaps supernovaer som NuSTAR kan undersøke. Andre typer supernovaer vil også bli undersøkt - for SN2014J, en type Ia som ble oppdaget i M82 i januar, også rett etter at de oppstår.
"Vi vet at det er en type hvit dvergstjerne som detonerer," svarte NuSTARs hovedetterforsker Fiona Harrison til Space Magazine under telefonkonferansen. "Dette er veldig spennende nyheter ... NuSTAR har sett på [SN2014J] i flere uker, og vi håper å kunne si noe om den eksplosjonen også."
En av de mest verdifulle prestasjonene med de nylige funnene fra NuSTAR er å ha et nytt sett med observerte begrensninger for å plassere på fremtidige modeller av kjernekollaps supernovaer ... som vil bidra til å gi svar - og sannsynligvis nye spørsmål - om hvordan stjerner eksploderer, til og med hundrevis eller tusenvis av år etter at de gjør det.
"NuSTAR er banebrytende vitenskap, og du må regne med at når du får nye resultater, vil det åpne for så mange spørsmål som du svarer," sa Kirshner.
NuSTAR ble lansert i juni 2012 og er det første fokuserende harde røntgen-teleskopet som går i bane rundt Jorden og det første teleskopet som er i stand til å produsere kart over radioaktive elementer i supernova-rester.
Les mer om JPL-nyhetsoppslaget her, og lytt til hele pressekonferansen her.
* Ettersom Cas A bor 11.000 lysår fra Jorden, ville den faktiske datoen for supernovaen være for omtrent 11.330 år siden. Gi eller ta noen få.
