Bildekreditt: ESO
Nye data samlet av European Southern Observatory's Very Large Telescope (VLT) ser ut til å indikere at supernovaer kanskje ikke er symmetriske når de eksploderer - lysstyrken deres endres avhengig av hvordan du ser på dem. Hvis de er lysere eller svakere, avhengig av hvordan du ser på dem, kan det føre til feil i avstandsberegningene dine. Men den nye forskningen indikerer at de blir mer symmetriske etter hvert, så astronomer trenger bare å vente litt før de gjør sine beregninger.
Et internasjonalt team av astronomer [2] har utført nye og veldig detaljerte observasjoner av en supernova i en fjern galakse med ESO Very Large Telescope (VLT) ved Paranal Observatory (Chile). De viser for første gang at en bestemt type supernova, forårsaket av eksplosjonen av en "hvit dverg", en tett stjerne med en masse rundt solen, er asymmetrisk i de første utvidelsesfasene.
Betydningen av denne observasjonen er mye større enn det som ser ut ved første øyekast. Denne spesielle typen supernova, kalt "Type Ia", spiller en veldig viktig rolle i de nåværende forsøkene på å kartlegge universet. Det har lenge vært antatt at Type Ia-supernovaer alle har den samme egenartede lysstyrken, og får dem et kallenavn som "standardlys".
I så fall gjenspeiler forskjeller i den observerte lysstyrken mellom individuelle supernovaer av denne typen deres forskjellige avstander. Dette, og det faktum at topplysstyrken til disse supernovaene rivaler som i deres modergalakse, har tillatt å måle avstander til og med svært avsidesliggende galakser. Noen tilsynelatende avvik som nylig ble funnet har ført til oppdagelsen av kosmisk akselerasjon.
Imidlertid betyr denne første gjennomsnittsobservasjonen av eksplosjonsasymmetri i en type Ia-supernova at den nøyaktige lysstyrken til et slikt objekt vil avhenge av vinkelen det blir sett fra. Siden denne vinkelen er ukjent for noen spesiell supernova, introduserer dette åpenbart en mengde usikkerhet i denne typen grunnleggende avstandsmålinger i universet som må tas i betraktning i fremtiden.
Heldigvis viser VLT-dataene også at hvis du venter litt - som i observasjonsmessige termer gjør det mulig å se dypere inn i den ekspanderende ildkulen - så blir den mer sfærisk. Avstandsbestemmelser av supernovaer som utføres på dette senere stadium vil derfor være mer nøyaktige.
Supernova-eksplosjoner og kosmiske avstander
Under supernovahendelser av type Ia eksploderer rester av stjerner med en begynnende masse på opptil et par ganger solens (såkalte “hvite dvergstjerner”), og etterlater ikke noe annet enn en raskt ekspanderende sky av “stardust”.
Type Ia-supernovaer er tilsynelatende ganske like hverandre. Dette gir dem en veldig nyttig rolle som "standardlys" som kan brukes til å måle kosmiske avstander. Deres topplysstyrke konkurrerer med foreldrene i galaksen, og kvalifiserer dem derfor som førsteklasses kosmiske målestokker.
Astronomer har utnyttet denne heldige omstendigheten for å studere utvidelseshistorien til vårt univers. De kom nylig til den grunnleggende konklusjonen at universet utvider seg med en akselererende hastighet, jfr. ESO PR 21/98, desember 1998 (se også Supernova Acceleration Probe-siden).
Eksplosjonen av en hvit dvergstjerne
I de mest aksepterte modellene av Type Ia-supernovaer kretser den hvite dvergstjernen før eksplosjonen om en sollignende ledsagerstjerne, og fullfører en revolusjon noen få timer. På grunn av det nære samspillet mister ledsagerstjernen kontinuerlig masse, hvorav en del blir plukket opp (i astronomisk terminologi: "akkretert") av den hvite dvergen.
En hvit dverg representerer den nest siste etappen til en solstjernetype. Atomreaktoren i kjernen har gått tom for drivstoff for lenge siden og er nå inaktiv. På et tidspunkt vil imidlertid monteringsvekten til det akkumulerende materialet ha økt trykket inne i den hvite dvergen så mye at den kjernefysiske asken der inne vil antenne og begynne å brenne inn i enda tyngre elementer. Denne prosessen blir veldig raskt ukontrollert og hele stjernen blåses i stykker i en dramatisk hendelse. En ekstremt varm ildkule sees som ofte overskriver vertsgalaksen.
Formen på eksplosjonen
Selv om alle supernovaer av type Ia har ganske like egenskaper, har det aldri før vært tydelig hvor lik en slik hendelse vil se ut for observatører som ser den fra forskjellige retninger. Alle egg ser like og utskillelige ut fra hverandre når de sees fra samme vinkel, men sidevisningen (oval) er tydeligvis forskjellig fra endevisningen (rund).
Og faktisk, hvis supernovaeksplosjoner av Type Ia var asymmetriske, ville de skinne med forskjellig lysstyrke i forskjellige retninger. Observasjoner av forskjellige supernovaer - sett under forskjellige vinkler - kunne derfor ikke sammenlignes direkte.
Imidlertid, uten å vite disse vinklene, ville astronomene deretter utlede feil avstander, og presisjonen til denne grunnleggende metoden for å måle strukturen i universet ville være i spørsmålet.
Polarimetri til unnsetning
En enkel beregning viser at selv for ørnøyene til VLT-interferometer (VLTI), vil alle supernovaer i kosmologiske avstander fremstå som uoppklarte lyspunkter; de er rett og slett for langt. Men det er en annen måte å bestemme hvilken vinkel en bestemt supernova blir sett på: polarimetri er navnet på trikset!
Polarimetri fungerer som følger: lys er sammensatt av elektromagnetiske bølger (eller fotoner) som svinger i bestemte retninger (plan). Refleksjon eller spredning av lys favoriserer visse orienteringer av de elektriske og magnetiske feltene over andre. Dette er grunnen til at polariserende solbriller kan filtrere ut skinnet av sollys som reflekterer fra et tjern.
Når lys sprer seg gjennom det ekspanderende rusket til en supernova, beholder det informasjon om orienteringen til spredningslagene. Hvis supernovaen er sfærisk symmetrisk, vil alle orienteringer være til stede likt og gjennomsnittlig være ute, så det vil ikke være noen nettpolarisering. Hvis gassskallet derimot ikke er rundt, vil en lett nettpolarisering bli påtrykt lyset.
"Selv for ganske merkbare asymmetrier er polarisasjonen imidlertid veldig liten og overstiger knapt nivået på en prosent", sier Dietrich Baade, ESO-astronom og et medlem av teamet som utførte observasjonene. ”Å måle dem krever et instrument som er veldig følsomt og veldig stabilt. ”
Målingen i svake og fjerne lyskilder til forskjeller på under 1 prosent er en betydelig observasjonsutfordring. "Imidlertid tilbyr ESO Very Large Telescope (VLT) presisjonen, den lysoppsamlende kraften, samt den spesialiserte instrumenteringen som kreves for en så krevende polarimetrisk observasjon," forklarer Dietrich Baade. Men dette prosjektet hadde ikke vært mulig uten at VLT ble operert i servicemodus. Det er faktisk umulig å forutsi når en supernova vil eksplodere og vi trenger å være klare hele tiden. Bare servicemodus tillater observasjoner på kort varsel. For noen år siden var det en langsiktig og modig beslutning av ESOs direktorat å legge så mye vekt på servicemodus. Og det var teamet av kompetente og hengivne ESO-astronomer på Paranal som gjorde dette konseptet til en praktisk suksess, legger han til.
Astronomene [1] brukte VLT multimodus FORS1 instrument for å observere SN 2001el, en supernova Type Ia som ble oppdaget i september 2001 i galaksen NGC 1448, jfr. PR Photo 24a / 03 i en avstand på 60 millioner lysår.
Observasjoner oppnådd omtrent en uke før denne supernovaen nådde maksimal lysstyrke rundt 2. oktober, avslørte polarisering ved nivåer på 0,2-0,3% (PR Photo 24b / 03). Nær maksimal lys og opptil to uker deretter, var polarisasjonen fremdeles målbar. Seks uker etter maksimalt var polarisasjonen falt under påvisbarhet.
Dette er første gang noensinne at en normal type Ia-supernova har blitt funnet å ha så tydelig bevis på asymmetri.
Ser dypere inn i supernovaen
Umiddelbart etter supernovaeksplosjonen beveger det meste av den utviste saken seg med hastigheter rundt 10.000 km / sek. Under denne utvidelsen blir de ytterste lag gradvis mer transparente. Med tiden kan man altså se dypere og dypere inn i supernovaen.
Polarisasjonen målt i SN 2001el gir derfor bevis på at de ytterste delene av supernovaen (som først blir sett) er betydelig asymmetrisk. Senere, når VLT-observasjonene "trenger" dypere mot hjertet av supernovaen, er eksplosjonsgeometrien stadig mer symmetrisk.
Hvis den er modellert med tanke på en flatert sfæroidform, innebærer den målte polarisasjonen i SN 2001el et mindre-til-hovedakse-forhold på rundt 0,9 før maksimal lysstyrke er nådd og en sfærisk symmetrisk geometri fra omtrent en uke etter dette maksimum og fremover.
Kosmologiske implikasjoner
En av nøkkelparametrene som avstand estimater av type Ia er basert på er den optiske lysstyrken på maks. Den målte asfærisiteten i dette øyeblikk ville introdusere en absolutt lyshetsusikkerhet (spredning) på ca. 10% hvis det ikke ble foretatt noen korreksjon for synsvinkelen (som ikke er kjent).
Mens type Ia-supernovaer er de desidert beste standardlysene for å måle kosmologiske avstander, og dermed for å undersøke den såkalte mørke energien, vedvarer en liten måleusikkerhet.
"Asymmetrien vi har målt i SN 2001el, er stor nok til å forklare en stor del av denne iboende usikkerheten," sier lederen for teamet Lifan Wang. “Hvis alle Type Ia-supernovaer er som dette, vil det utgjøre mye av spredningen i lysstyrkenes målinger. De er kanskje enda mer enhetlige enn vi trodde. ”
Å redusere spredningen i lysstyrke-målinger kunne selvfølgelig også oppnås ved å øke antallet supernovaer vi observerer betydelig, men gitt at disse målingene krever de største og dyreste teleskopene i verden, som VLT, er dette ikke den mest effektive metoden.
Så hvis lysstyrken målt en uke eller to etter at maksimum ble brukt i stedet, ville sfærisiteten da blitt gjenopprettet og det ville ikke være systematiske feil fra den ukjente synsvinkelen. Ved denne lille endringen i observasjonsprosedyren, kunne supernovaer av type Ia bli enda mer pålitelige kosmiske målestokker.
Teoretiske implikasjoner
Den nåværende deteksjonen av polariserte spektrale trekk antyder sterkt at, for å forstå den underliggende fysikken, vil den teoretiske modelleringen av Type Ia supernovae-hendelser måtte gjøres i alle tre dimensjoner med mer nøyaktighet enn det som er gjort nå. Faktisk har de tilgjengelige, meget komplekse hydrodynamiske beregningene så langt ikke vært i stand til å reprodusere strukturer eksponert av SN 2001el.
Mer informasjon
Resultatene som ble presentert i denne pressemeldingen er blitt beskrevet i en forskningsartikkel i “Astrophysical Journal” (“Spectropolarimetry of SN 2001el in NGC 1448: Asphericity of a Normal Type Ia Supernova” av Lifan Wang og medforfattere, bind 591, p 1110).
Merknader
[1]: Dette er et koordinert ESO / Lawrence Berkeley National Laboratory / Univ. av Texas Press Release. LBNLs pressemelding er tilgjengelig her.
[2]: Laget består av Lifan Wang, Dietrich Baade, Peter H? Flich, Alexei Khokhlov, J. Craig Wheeler, Daniel Kasen, Peter E. Nugent, Saul Perlmutter, Claes Fransson og Peter Lundqvist.
Originalkilde: ESO News Release
