Upptäckten av mörk energi, en mystisk kraft som påskyndar universums expansion, baserades på observationer av supernovaer av typ 1a, och dessa stjärnexplosioner har länge använts som ”standardljus” för att mäta expansionen. En ny studie visar källor till variationer i dessa supernovaer, och för att noggrant undersöka arten av mörk energi och bestämma om den är konstant eller variabel över tid, måste forskare hitta ett sätt att mäta kosmiska avstånd med mycket större precision än de har i det förflutna.
"När vi börjar nästa generation av kosmologiexperiment, kommer vi att vilja använda supernovaer av typ 1a som mycket känsliga mått på avstånd," sade huvudförfattaren Daniel Kasen, från en studie publicerad i Nature denna vecka. ”Vi vet att de inte alla är samma ljusstyrka och vi har sätt att korrigera för det, men vi måste veta om det finns systematiska skillnader som skulle förspänna avståndsmätningarna. Så denna studie undersökte vad som orsakar dessa skillnader i ljusstyrka. ”
Kasen och hans coauthors – Fritz Röpke från Max Planck Institute for Astrophysics i Garching, Tyskland, och Stan Woosley, professor i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz - använde superdatorer för att köra dussintals simuleringar av supernovaer av typ 1a. Resultaten indikerar att mycket av den mångfald som observerats i dessa supernovaer beror på den kaotiska karaktären hos de involverade processerna och den resulterande asymmetri av explosionerna.
För det mesta skulle denna variation inte ge systematiska fel i mätstudier så länge forskare använder ett stort antal observationer och tillämpar standardkorrigeringarna, sade Kasen. Studien hittade en liten men potentiellt oroande effekt som kan vara resultatet av systematiska skillnader i de kemiska sammansättningarna av stjärnor vid olika tidpunkter i universums historia. Men forskare kan använda datormodellerna för att ytterligare karakterisera denna effekt och utveckla korrigeringar för den.
En supernova av typ 1a inträffar när en vit dvärgstjärna får ytterligare massa genom att sippa ämne bort från en följeslagare. När den når en kritisk massa - 1,4 gånger solens massa, packad i ett föremål på jordens storlek - värmen och trycket i mitten av stjärnan gnistrar en språng kärnfusionsreaktion, och den vita dvärgen exploderar. Eftersom de ursprungliga förhållandena är ungefär desamma i alla fall tenderar dessa supernovaer att ha samma ljusstyrka, och deras "ljuskurvor" (hur ljusstyrkan förändras över tid) är förutsägbara.
Vissa är i sin tur ljusare än andra, men dessa blossar och bleknar långsammare, och denna korrelation mellan ljusstyrkens ljusstyrka och bredd gör att astronomer kan tillämpa en korrigering för att standardisera sina observationer. Så astronomer kan mäta ljuskurvan för en supernova av typ 1a, beräkna dess inneboende ljusstyrka och sedan bestämma hur långt det är, eftersom den uppenbara ljusstyrkan minskar med avståndet (precis som ett ljus verkar dunkare på avstånd än när det närmar sig) .
Datormodellerna som används för att simulera dessa supernovaer i den nya studien är baserade på aktuell teoretisk förståelse för hur och var tändningsprocessen börjar inne i den vita dvärgen och var den gör övergången från långsamt brinnande förbränning till explosiv detonation.
Simuleringarna visade att explosionens asymmetri är en nyckelfaktor som bestämmer ljusstyrkan hos supernovaer av typ 1a. "Anledningen till att dessa supernovaer inte alla är samma ljusstyrka är nära knuten till denna brytning av sfärisk symmetri," sade Kasen.
Den dominerande källan till variabilitet är syntesen av nya element under explosionerna, som är känslig för skillnader i geometri för de första gnistorna som antänder en termonukleär språng i den sjunkande kärnan i den vita dvärgen. Nickel-56 är särskilt viktigt, eftersom den radioaktiva sönderfallet av denna instabila isotop skapar ett efterglöd som astronomer kan observera i månader eller till och med år efter explosionen.
”Förfallet av nickel-56 är det som driver ljuskurvan. Explosionen är över inom några sekunder, så det vi ser är resultatet av hur nickeln värmer upp skräp och hur skräpet strålar ut ljus, ”sa Kasen.
Kasen utvecklade datorkoden för att simulera denna strålningsöverföringsprocess genom att använda utsignaler från de simulerade explosionerna för att producera visualiseringar som kan jämföras direkt med astronomiska observationer av supernovaer.
Den goda nyheten är att variationen i datormodellerna överensstämmer med observationer av supernovaer av typ 1a. ”Det viktigaste är att ljuskurvanas bredd och toppljusthet korreleras på ett sätt som överensstämmer med vad observatörerna har funnit. Så modellerna överensstämmer med de iakttagelser som upptäckten av mörk energi baserade sig på, ”sade Woosley.
En annan källa till variation är att dessa asymmetriska explosioner ser annorlunda ut när de betraktas i olika vinklar. Detta kan redovisa skillnader i ljusstyrka på så mycket som 20 procent, sade Kasen, men effekten är slumpmässig och skapar spridning i mätningarna som statistiskt kan minskas genom att observera stort antal supernovaer.
Potentialen för systematisk förspänning kommer främst från variation i den ursprungliga kemiska sammansättningen av den vita dvärgstjärnan. Tyngre element syntetiseras under supernovaexplosioner, och skräp från dessa explosioner införlivas i nya stjärnor. Som ett resultat kommer stjärnor som bildats nyligen troligen att innehålla mer tunga element (högre "metallicitet" i astronomers terminologi) än stjärnor som bildats i det avlägsna förflutet.
"Det är den typen vi förväntar oss att utvecklas över tid, så om du tittar på avlägsna stjärnor som motsvarar mycket tidigare tider i universums historia, skulle de ha en lägre metallicitet," sade Kasen. "När vi beräknade effekten av detta i våra modeller fann vi att de resulterande felen i avståndsmätningar skulle vara i storleksordningen 2 procent eller mindre."
Ytterligare studier som använder datorsimuleringar kommer att göra det möjligt för forskare att karakterisera effekterna av sådana variationer mer detaljerat och begränsa deras påverkan på framtida experiment med mörk energi, vilket kan kräva en precisionsnivå som skulle göra fel på 2 procent oacceptabla.
Källa: EurekAlert
