Astronomové věřili, že všechny supernovy typu 1a byly v podstatě stejné jasnosti. To je problém, protože tento druh supernov se používá jako standardní svíčky pro určování vzdáleností napříč vesmírem. Nejnověji byly tyto supernovy použity k výpočtu záhadné síly zvané temná energie, která, jak se zdá, zrychluje expanzi vesmíru.
Skupina vědců přidružených k průzkumu SuperNova Legacy Survey (SNLS) našla překvapivý důkaz, že existuje více než jeden druh supernovy typu Ia, třída explodujících hvězd, která byla dosud považována za v podstatě jednotná ve všech důležitých ohledech. Supernova SNLS-03D3bb je více než dvakrát jasnější než většina supernov typu Ia, ale má mnohem méně kinetické energie a zdá se, že je opět poloviční, stejně masivní jako typický typ Ia.
Mezi hlavní autory zprávy, která se objevuje ve vydání časopisu Nature z 21. září, patří Andrew Howell, dříve Fyzikální divize v Lawrence Berkeley National Laboratory a nyní na Torontoské univerzitě, a Peter Nugent, astrofyzik s výpočetním výzkumem Berkeley Lab. Divize. Dalšími hlavními autory jsou Mark Sullivan z University of Toronto a Richard Ellis z Kalifornského technologického institutu. Tito a mnozí další autoři článku Nature jsou členy projektu Supernova Cosmology Project sídlícího v Berkeley Lab.
Protože téměř všechny supernovy typu Ia, které byly dosud nalezeny, jsou ve své jasnosti nejen pozoruhodně jasné, ale pozoruhodně jednotné, jsou považovány za nejlepší astronomické „standardní svíčky“ pro měření přes kosmologické vzdálenosti. V roce 1998, po pozorování mnoha vzdálených supernov typu I, projekt Supernova Kosmologie a soupeřící High-Z Supernova Search Team oznámili svůj objev, že expanze vesmíru se zrychluje - nález, který by se brzy přičítal neznámému něčemu zvanému temnota energie, která zaplňuje vesmír a staví se proti vzájemné gravitační přitažlivosti hmoty.
"Supernovy typu Ia jsou považovány za spolehlivé ukazatele vzdálenosti, protože mají standardní množství paliva - uhlík a kyslík v bílé trpasličí hvězdě - a mají jednotnou spouště," říká Nugent. "Předpovídá se, že explodují, když se hmota bílého trpaslíka přiblíží k masu Chandrasekhar, což je asi 1,4násobek hmotnosti našeho slunce." Skutečnost, že SNLS-03D3bb překonává tento masový druh, otevírá Pandorovu krabici. “
Proč většina Supernov typu Ia je stejná
Klasifikace typů supernov je založena na jejich spektrech. Spektra typu Ia nemají vodíková vedení, ale mají křemíková absorpční vedení, vodítko k chemii jejich explozí. Předci bílých trpaslíků supernovy typu Ia, obvykle asi dvě třetiny hmotnosti Slunce, se považují za další hmotu od binárního společníka, dokud se nepřibližují k hranici Chandrasekhar. Zvyšující se tlak způsobí, že se uhlík a kyslík ve středu hvězdy roztaví a vytvoří prvky až k niklu na periodické tabulce; energie uvolněná v tomto procesu fouká hvězdu na kusy v titanickém termonukleárním výbuchu.
U supernov typu Ia byly pozorovány některé variace, ale ty jsou většinou smíśitelné. Jasnější typ Ia trvá déle, než dosáhne maximálního jasu a déle klesá. Když jsou časové stupnice jednotlivých světelných křivek nataženy tak, aby odpovídaly normě, a jas je upraven podle roztažnosti, odpovídají světelné křivky typu Ia.
Rozdíly jasu mohou být způsobeny rozdílnými poměry uhlíku a kyslíku v progenitorech, což má za následek rozdílné konečné množství niklu při explozi. Radioaktivní rozpad niklu na kobalt a potom železo pohání optické a blízké infračervené světelné křivky typu Ia supernovy. Rozdíly ve zjevné jasnosti mohou být také produkty asymetrie; exploze pozorovaná z jednoho úhlu může být mírně slabší než z jiného.
Žádný z těchto možných rozdílů nestačí k vysvětlení extrémní jasnosti supernovy SNLS-03D3bb - což je příliš jasné pro její „natahování“ křivky světla. Navíc, ve většině jasnějších supernov, hmota vystřelená z výbuchu cestuje vyšší rychlostí; to znamená, že tyto exploze mají více kinetické energie. Avšak vysunutí SNLS-03D3bb bylo neobvykle pomalé.
"Andy Howell dal dohromady dvě a dvě a uvědomil si, že SNLS-03D3bb musí mít super chandrasekharskou hmotu," říká Nugent.
Masa důkazů
Jedním vodítkem byly prvky potřebné k vytvoření mimořádného jasu. "Veškerá síla typu Ia pochází ze spalování uhlíku a kyslíku těžším prvkům, zejména niklu 56," říká Nugent. „Typ Ia normálního jasu tvoří asi 60 procent solární hmoty v hodnotě niklu 56, zbytek tvoří ostatní prvky. SNLS-03D3bb je ale více než dvakrát jasnější než obvykle; musí mít více než dvakrát tolik niklu 56. Jediný způsob, jak toho dosáhnout, je s progenitorem, který je o 50 procent masivnější než masa Chandrasekhar. “
Druhým faktorem je pomalá ejekce SNLS-03D3bb, jak byla detekována při posouvání elementárních čar v jejím spektru. Rychlost ejundy supernovy závisí na kinetické energii uvolněné při explozi, což je rozdíl mezi energií uvolněnou při termonukleárním spalování mínus vazebnou energií, která působí na udržení hvězdy pohromadě, funkcí hmoty hvězdy. Čím je hvězda hmotnější, tím je ejekce pomalejší.
Jak by však mohl progenitor uhlík-kyslík někdy akumulovat hmotu větší, než je Chandrasekharův limit, aniž by explodoval? Je možné, že velmi rychle se točící hvězda může být hmotnější. Je také možné, že se dva bílí trpaslíci, s kombinovanou hmotou výrazně přesahující hranici Chandrasekharu, mohli srazit a explodovat.
Nugent říká: „Jedna stopa přišla od našeho spoluautora Marka Sullivana, který v datech SNLS již našel dvě odlišné sazby pro výrobu supernovy typu Ia. Mohou být hrubě rozděleny na ty, které pocházejí z mladých hvězdotvorných galaxií a galaxií ze starých mrtvých galaxií. Existuje tedy náznak, že mohou existovat dvě populace typu Ia, se dvěma typy progenitorů a dvěma různými cestami k explozi. “
Ve starých mrtvých galaxiích jsou i ty největší hvězdy malé, vysvětluje Nugent. Jedinými druhy supernov typu Ia, které jsou možné v těchto galaxiích, jsou pravděpodobně typ binárního systému, hromadného hromadění, Chandrasekhar. Ale mladé hvězdotvorné galaxie produkují masivní objekty a mohly by být bohaté na bílých trpaslíků plus bílé trpasličí binární systémy, takzvané „dvojitě degenerované“ systémy.
"Pokud má model s dvojitou degenerací pravdu, takové systémy budou vždy v těchto velmi mladých galaxiích vyvolávat super-chandrasekharské výbuchy," říká Nugent.
Mladé galaxie se pravděpodobně vyskytují v raném vesmíru, a tedy na větší vzdálenosti. Protože vzdálené supernovy typu Ia jsou zásadní pro snahu měřit vývoj temné energie, je nezbytné jasně identifikovat supernovy typu Ia, které neodpovídají modelu hmoty Chandrasekhar. Je to snadné dělat s takovým typem Ia, jako je SNLS-03D3bb, ale ne všechny super-chandrasekharské supernovye mohou být tak zřejmé.
"Jedním ze způsobů, jak detekovat super-Chandrasekhar supernovye, je změřit ejekční rychlost a porovnat ji s jasem." Dalším způsobem je získání více spekter při vývoji světelné křivky. Bohužel pořizování spekter je největším nákladem v celé snaze o studium temné energie, “říká Nugent. "Návrháři těchto experimentů budou muset najít účinné způsoby, jak z jejich vzorků vyloučit super-Chandrasekhar supernovae."
Modelování variací
Částečně v naději, že se vyvine rychlý a spolehlivý způsob identifikace kandidáta supernovy typu Ia na kosmologický výzkum, se Nugent a spoluautor Richard Ellis zpočátku obrátili na Sullivana a další členy SNLS se svou rozsáhlou databází supernov. Nugent, který pracoval v Národním středisku pro vědecké výpočty v oblasti energetického výzkumu (NERSC) se sídlem v Berkeley Lab, vyvinul algoritmus, který by mohl na počátku vývoje kandidátské supernovy zachytit hrst fotometrických datových bodů, pozitivně je identifikovat jako typ Ia a přesně předpovědět čas maximálního jasu.
Jeden z prvních zkoumaných typů typu Ia se ukázal být samotným SNLS-03D3bb. "Díky svému červenému posunu měl takový vysoký poměr signál-šum, že jsme měli od začátku podezření, že to bude neobvyklá supernova," říká Nugent.
Nugent považuje objev první prokazatelné super-chandrasekharské supernovy za vzrušující vyhlídku: „Poprvé od roku 1993“ - když se vyvinul vztah mezi jasem a tvarem světelné křivky - „máme nyní silný směr, abychom hledali další parametr, který popisuje jas supernovy typu Ia. Toto hledání nás může vést k mnohem lepšímu pochopení jejich progenitorů a systematiky jejich použití jako kosmologických sond. “
Toto porozumění je jedním z hlavních cílů Konsorcia pro výpočetní astrofyziku v čele s Stanem Woosleyem z Kalifornské univerzity v Santa Cruz a podporovaným programem Office of Science of Science prostřednictvím programu vědeckého objevu prostřednictvím pokročilého výpočtu (SciDAC), s Nugent a John Bell z oddělení výpočetního výzkumu a NERSC mezi předními partnery.
"Chandrasekharův model hvězdného kolapsu z roku 1931 byl elegantní a silný; získalo Nobelovu cenu, “říká Nugent. "Byl to však jednoduchý jednorozměrný model." Jen přidáním rotace lze překročit mši Chandrasekhar, jak sám uznal. “
S 2-D a 3-D modely supernov nyní možné pomocí superpočítačů, Nugent říká, že je možné studovat širší škálu přírodních možností. "To je cílem našeho projektu SciDAC, získat ty nejlepší modely a nejlepší observační data a spojit je tak, aby tlačily celou kouli vosku." Na konci tohoto projektu budeme vědět vše, co můžeme vědět o všech druzích supernovy typu Ia. “
„Supernova typu Ia ze superhandandekekharské masové bílé trpasličí hvězdy,“ 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 a Christopher J. Pritchett, se objeví v 21. září vydání časopisu Nature and je k dispozici online předplatitelům.
Berkeley Lab je národní laboratoř amerického ministerstva energetiky se sídlem v Berkeley v Kalifornii. Vede nezařazený vědecký výzkum a je řízen Kalifornskou univerzitou. Navštivte naše webové stránky na adrese http://www.lbl.gov.
Původní zdroj: LBL News Release
