Bildekreditt: Hubble
En ny artikkel publisert i tidsskriftet Nature er med på å avgjøre et langvarig mysterium om noen av de tidligste faste partiklene i universet. Varmt støv var funnet før, men det kaldere støvet var stort sett usynlig - inntil nå. Det ser ut til at supernovaer er ekstremt effektive til å produsere støvet som senere danner planeter, bergarter og mennesker.
Vi har nettopp oppdaget at noen supernovaer har dårlige vaner - de skvetter ut enorme mengder røyk, kjent som kosmisk støv. Dette løser et mangeårig mysterium over opprinnelsen til kosmisk støv og antyder at supernovaer, som er eksploderende stjerner, var ansvarlige for å produsere de første faste partiklene noensinne i Universet.
De viktigste mistenker
Supernovaer er voldelige eksplosjoner fra stjerner som oppstår på slutten av livet. De forekommer rundt hvert 50. år i vår Galaxy, og det er to hovedtyper - Type Ia og II. Type II er eksplosjoner fra veldig massive stjerner med masse større enn 8 ganger solens masse (Msun). Disse stjernene er ‘live fast - die young’ ved å bruke opp hydrogen og heliumdrivstoff på bare noen få millioner år, tusenvis av ganger raskere enn sola brenner det er drivstoff. Når drivstofftilførselen er oppbrukt, må stjernen brenne tyngre og tyngre elementer til slutt, når den ikke mer kan gjøre for å holde seg i live, de indre delene av stjernekollapsen for å danne en nøytronstjerne eller svart hull, og de ytre delene er kastet i katastrofen kaller vi en supernova. Den enorme eksplosjonen feier opp den omkringliggende gassen til et skall som skinner ved røntgen, optisk og radiobølgelengde, og sender sjokkbølger gjennom galaksen. Supernovaer frigjør mer energi på et øyeblikk enn solen vil produsere i hele sin levetid. Hvis den nærmeste massive stjernen, Betelgeuse i stjernebildet Orion, skulle gå supernova, ville den (for kort tid) blitt lysere enn fullmåne.
Den kosmiske røykskjermen
Interstellært støv består av bittesmå partikler av fast materiale som svever rundt i rommet mellom stjernene - med størrelser som typisk sigarettrøyk. Det er ikke det samme som støvet vi renser opp i husene våre, og faktisk er jorden en gigantisk klump kosmisk støv! Det er ansvarlig for å blokkere omtrent halvparten av alt lyset som sendes ut fra stjerner og galakser og påvirker dyptgående vårt syn på universet. Denne 'støvete' skyen har imidlertid et sølvfor, da astronomene kan `se 'støvet som utstråler det stjålne stjernelyset ved hjelp av spesielle kameraer designet for å fungere på lengre bølgelengder, i infrarød (IR: 10 - 100 mikron) og submillimeter ( sub-mm: 0,3 - 1 mm) del av det elektromagnetiske spekteret. Et slikt kamera heter SCUBA og det ligger på James Clerk Maxwell Telescope på Hawaii. SCUBA er et instrument fra Storbritannia som oppdager lysbølger med bølgelengder på under mm og er i stand til å se støv helt ut til der de fjerneste stjerner og galakser er funnet.
Støvete begynnelser
Nyere observasjoner med SCUBA har vist at det eksisterer en enorm mengde støv i galakser og kvasarer da universet bare var 1/10 av sin nåværende alder, lenge før Jorden og solsystemet hadde dannet seg. Tilstedeværelsen av alt dette støvet i det fjerne universet har stor innvirkning på hva astronomene kan se med sine gigantiske optiske teleskoper, da det begrenser mengden stjernelys som kan flykte fra en fjern galakse og sees på jorden.
At det var så mange faste partikler i Universet på så tidlig tid, var en stor overraskelse for astronomene da de hadde trodd at støv hovedsakelig ble dannet i svale vinder fra røde kjempestjerner nær slutten av livet. Siden det tar lang tid for stjerne å nå dette stadiet i sin utvikling (solen vil ta rundt 9 milliarder år), har det rett og slett ikke vært nok tid til at det er laget så mye støv på denne måten.
‘Støv er blitt feid under det kosmiske teppet - i mange år har astronomer behandlet det som en plage på grunn av måten det skjuler lyset for stjernene. Men så fant vi ut at det er støv rett ved kanten av universet, i de tidligste stjernene og galakser, og vi skjønte at vi var uvitende om til og med dens grunnleggende opprinnelse, forklarte Dr. Dunne.
Supernovaer lager også store mengder tunge elementer, som karbon og oksygen, og kaster dem ut i det interstellare rommet. Dette er elementene som utgjør kroppene våre, og siden de også er elementene som utgjør støvkorn, har supernovaer lenge vært en fremste mistenkt i mysteriet om opprinnelsen til kosmisk støv. Siden det tar bare noen få millioner år for de mest massive stjernene å komme til slutten av liv og eksplodere som supernovaer, kunne de lage støv raskt nok til å forklare hva som sees i det tidlige universet. Fram til dette teamets arbeid hadde det imidlertid bare blitt funnet små mengder støv i supernovaer - noe som etterlot astronomer med en røykepistol, men ingen ‘røyk’.
Haley Morgan, doktorgradsstudent ved Cardiff sa "Hvis supernovaer var effektive støvfabrikker, ville de hver produsere mer enn massen av solen i støv."
"Etter hvert som store stjerner utvikler seg til å bli supernovaer i løpet av et øyeblikk etter astronomiske standarder, kunne de lett forklare hvorfor det tidlige universet fremstår så støvete." La Dr. Rob Ivison fra Royal Observatory Edinburgh til.
Supernova Sleuths
Teamet fra Cardiff og Edinburgh brukte SCUBA for å se etter utslippet fra støv i restene av en nylig supernova. Cassiopeia A er restene av en supernova som skjedde for rundt 320 år siden. Det ligger i stjernebildet Cassiopeia, 11 000 lysår fra Jorden og ligger omtrent 10 lysår på tvers. Cas A er den lyseste radiokilden på himmelen, så den er godt studert på mange bølgelengder fra optiske til røntgenstråler. Bildene nedenfor viser Cas A i røntgenbildene, optisk, infrarødt og radio. Røntgenstrålene følger den virkelig varme gassen (10 millioner grader Kelvin), og de andre bølgelengdene sporer materiale ved: 10 tusen grader (optisk), varmt støv ved 100 K (IR) og høyenergi-elektroner (radio).
Selv om astronomer hadde søkt etter støv i supernovarester i flere tiår, hadde de brukt instrumenter som bare kunne oppdage støv som var ganske varmt, slik som i ISO-infrarøde bildet over. SCUBA har fordelen her fordi den kan se støv som er veldig kaldt, og dette er fordi den fungerer på lengre bølgelengder på under mm.
"På samme måte som du bare kan se en jernpoker som gløder når den har vært i brann, kan du bare se støv med infrarøde kameraer når det er varmere enn rundt 25 Kelvin, men SCUBA kan se det når det er kaldere også." forklarte Dr. Steve Eales, Leser i astrofysikk ved Cardiff University.
Kaldt hardt bevis
SCUBA fant en stor mengde støv i Cas A-restene, 1-4 ganger mer enn solens masse! Dette er over 1000 ganger mer enn det som hadde blitt sett før. Dette betyr at Cas A var veldig effektiv til å skape støv fra tilgjengelige elementer. Temperaturen i støvet er veldig lav, bare 18 Kelvin (-257 grader celsius), og dette er grunnen til at det aldri hadde blitt sett før. Nedenfor er de to sub-mm-bildene av Cas A på 850 og 450 mikron tatt med SCUBA. Du kan se at det venstre bildet ligner litt på radioen ovenfor, og dette er fordi de høye energi-elektronene som lager radiobildet, også avgir noe av energien deres på litt kortere bølgelengder - forurenser sub mm-utslippet på 850 mikron. Det midtre bildet er på 450 mikron hvor forurensningen er mye lavere, og det meste av denne utslippet er fra kaldt støv. Hvis vi fjerner forurensningen, får vi et annet bilde (til høyre). Alt støvet sees i den nederste halvdelen av resten, og de to sub-mm-bildene ser nå mye mer like ut!
850 mikron uten radioforurensning
"Puslespillet er hvordan støvet kan forbli så kaldt når vi vet at det er gass i over en million grader til stede fra røntgenstrålingen det gir av." Kommenterte professor Mike Edmunds, leder for School of Physics & Astronomy in Cardiff.
Støvet har også forskjellige egenskaper til den ‘hverdagslige’ typen støv i Melkeveien og andre galakser - det er bedre å ‘skinne’ i sub-mm, kanskje fordi det fortsatt er veldig ungt og relativt uberørt. Hvis alle supernovaer var så effektive til å lage støv, ville de være de største støvfabrikkene i Galaxy. Røykende supernovaer gir en løsning på mysteriet om de enorme støvmengdene som ble sett i det tidlige universet.
"Disse observasjonene gir oss et fristende glimt av hvordan de første faste partiklene i universet ble skapt," sa Haley Morgan.
Originalkilde: Cardiff University News Release
