Bildkredit: LBL
Genom att mäta polariserat ljus från en ovanlig exploderande stjärna har ett internationellt team av astrofysiker och astronomer utarbetat den första detaljerade bilden av en supernova av typ Ia och det distinkta stjärnsystemet där det exploderade.
Med hjälp av European Southern Observatory's Very Large Telescope i Chile bestämde forskarna att supernova 2002-skivan exploderade inuti en platt, tät, klumpig skiva av damm och gas, som tidigare blivit bortblåst från en följeslagare. Deras arbete tyder på att detta och några andra föregångare av supernovaer av typ Ia liknar de föremål som kallas protoplanetära nebulosor, välkända i vår egen Vintergalax.
Lifan Wang från Lawrence Berkeley National Laboratory, Dietrich Baade från European Southern Observatory (ESO), Peter H? Flich och J. Craig Wheeler från University of Texas i Austin, Koji Kawabata från National Astronomical Observatory of Japan och Ken'ichi Nomoto från University of Tokyo rapporterar sina resultat i 20 mars 2004-utgåvan av Astrophysical Journal Letters.
Gjutning av supernovaer för att skriva
Supernovaer är märkta enligt de element som är synliga i deras spektra: Typ I-spektra saknar vätgaslinjer, medan typ II-spektra har dessa linjer. Det som gör SN 2002ic ovanligt är att dess spektrum annars liknar en typisk supernova av typ Ia men uppvisar en stark vätgasutsläppslinje.
Typ II och några andra supernovaer inträffar när kärnorna i mycket massiva stjärnor kollapsar och exploderar och lämnar efter sig extremt täta neutronstjärnor eller till och med svarta hål. Supernovaer av typ Ia exploderar emellertid av en mycket annan mekanism.
"En typ Ia-supernova är en metallisk eldkula," förklarar Berkeley Labs Wang, en pionjär inom området supernovaspektropolarimetri. ”En typ Ia har ingen väte eller helium utan mycket järn, plus radioaktivt nickel, kobolt och titan, lite kisel och lite kol och syre. Så en av dess föregångare måste vara en gammal stjärna som har utvecklats för att lämna efter sig en kolsyrvit dvärg. Men kol och syre, som kärnbränslen, bränner inte lätt. Hur kan en vit dvärg explodera? ”
De mest accepterade typ Ia-modellerna antar att den vita dvärgen - ungefär storleken på jorden men som packar större delen av solens massa - sammanfaller materia från en kretsande följeslagare tills den når 1,4 solmassor, känd som Chandrasekhar-gränsen. Den nu superdena vita dvärgen antänds i en mäktig termonukleär explosion, och lämnar inget annat än stardust.
Andra system inkluderar sammanslagning av två vita dvärgar eller till och med en ensam vit dvärg som återinvesterar saken som kastas av dess yngre jag. Trots tre decennier av sökning, fram till upptäckten och efterföljande spektropolarimetriska studier av SN 2002ic, fanns det inga fasta bevis för någon modell.
I november 2002 rapporterade Michael Wood-Vasey och hans kollegor i Energimyndighetens närliggande Supernova-fabrik baserad på Berkeley Lab upptäckten av SN 2002ic, kort efter att dess explosion upptäcktes nästan en miljard ljusår bort i en anonym galax i konstellation Fiskarna.
I augusti 2003 rapporterade Mario Hamuy från Carnegie Observatories och hans kollegor att källan till den rikliga vätetrika gasen i SN 2002ic troligen var en så kallad Asymptotic Giant Branch (AGB) -stjärna, en stjärna i de slutliga faserna av dess liv, med tre till åtta gånger solens massa - precis den typen av stjärna som, efter att den har blåst bort sina yttre lager av väte, helium och damm, efterlämnar en vit dvärg.
Dessutom var denna till synes självmodstridande supernova - en typ Ia med väte - i själva verket likadan andra vätetrika supernovaer som tidigare betecknats typ IIn. Detta antydde i sin tur att även om typ Ia-supernovaer verkligen är anmärkningsvärt lika, kan det finnas stora skillnader mellan deras förfäder.
Eftersom supernovaer av typ Ia är så lika och så ljusa - lika ljusa eller ljusare än hela galaxer - har de blivit de viktigaste astronomiska standardljusen för att mäta kosmiska avstånd och universums expansion. Tidigt 1998, efter att ha analyserat dussintals observationer av avlägsna supernovaer av typ Ia, tillkännagav medlemmar av Department of Energy's Supernova Cosmology Project baserat på Berkeley Lab tillsammans med sina rivaler i High-Z Supernova Search Team baserat i Australien den häpnadsväckande upptäckten att universumets expansion accelererar.
Kosmologer bestämde därefter att över två tredjedelar av universum består av ett mystiskt något som kallas ”mörk energi”, som sträcker utrymmet och driver den accelererande expansionen. Men att lära sig mer om mörk energi beror på noggrann studie av många mer avlägsna supernovaer av typ Ia, inklusive en bättre kunskap om vilken typ av stjärnsystem som utlöser dem.
Bildstruktur med spektropolarimetri
Spektropolarimetri av SN 2002ic har gett den mest detaljerade bilden av ett typ Ia-system ännu. Polarimetri mäter orienteringen av ljusvågor; Polaroid solglasögon "mäter" till exempel horisontell polarisering när de blockerar en del av det ljus som reflekteras från platta ytor. I ett föremål som ett dammmoln eller en stellar explosion reflekteras emellertid inte ljus från ytor utan spridda från partiklar eller från elektroner.
Om dammmoln eller explosion är sfärisk och jämnt jämn, är alla orienteringar lika representerade och nätpolarisationen är noll. Men om föremålet inte är sfäriskt - format som en skiva eller en cigarr, till exempel - kommer mer ljus att svänga i vissa riktningar än i andra.
Även för ganska märkbara asymmetrier överstiger sällan netpolarisationen sällan en procent. Således var det en utmaning för ESO-spektropolarimetriinstrumentet att mäta svaga SN 2002ic, även med det kraftfulla Very Large Telescope. Det tog flera timmars observation på fyra olika nätter för att skaffa erforderlig högkvalitativ polarimetri- och spektroskopidata.
Teamets observationer kom nästan ett år efter att SN 2002ic först upptäcktes. Supernovaen hade blivit mycket svagare, men dess framträdande väteutsläppslinje var sex gånger ljusare. Med spektroskopi bekräftade astronomerna observationen av Hamuy och hans medarbetare, att ejecta som expanderade utåt från explosionen med hög hastighet hade stött på omgivande tjock, väterik materia.
Endast de nya polarimetriska studierna kunde dock avslöja att det mesta av denna fråga formades som en tunn skiva. Polarisationen berodde troligtvis på växelverkan mellan höghastighetsutmatning från explosionen med dammpartiklarna och elektronerna i det långsammare rörliga omgivningen. På grund av hur vätgaslinjen hade ljusnat länge efter att supernovaen först observerades, drog astronomerna att skivan inkluderade täta klumpar och hade varit på plats långt innan den vita dvärgen exploderade.
"Dessa häpnadsväckande resultat tyder på att förfäderna till SN 2002ic var anmärkningsvärt liknande föremål som är bekanta för astronomer i vår egen Vintergatan, nämligen protoplanetära nebulosor," säger Wang. Många av dessa nebulosor är resterna av de blåst bort yttre skal från Asymptotic Giant Branch stjärnor. Sådana stjärnor kasta av sig tunna, oregelbundna skivor om de roterar snabbt.
En fråga om timing
För en vit dvärg att samla in tillräckligt med material för att nå Chandrasekhar-gränsen tar en miljon år eller så. Däremot förlorar en AGB-stjärna stora mängder materia relativt snabbt; den protoplanetära nebulosfasen är övergående, varar bara några hundra eller tusentals år innan den avblåsta saken sprids. "Det är ett litet fönster," säger Wang, inte tillräckligt länge för att kvarvarande kärna (i sig en vit dvärg) återförvärvar tillräckligt med material för att explodera.
Därför är det mer troligt att en vit dvärgkompis i SN 2002-systemet redan samlade materia länge innan nebulan bildades. Eftersom den protoplanetära fasen bara varar några hundra år, och förutsatt att en typ Ia-supernova vanligtvis tar en miljon år att utvecklas, förväntas bara cirka en tusendel av alla Type Ia-supernovaer likna SN 2002ic. Färre kommer fortfarande att visa sina specifika spektrala och polarimetriska funktioner, även om "det skulle vara oerhört intressant att söka efter andra supernovaer av typ Ia med kringliggande materia", säger Wang.
Ändå, säger Dietrich Baade, huvudutredare för polarimetri-projektet som använde VLT, "är det antagandet att alla supernovaer av typ Ia i princip är desamma som gör att observationerna från SN 2002ic kan förklaras."
Binära system med olika omloppskaraktäristika och olika slags följeslagare i olika stadier av stellarutveckling kan fortfarande ge upphov till liknande explosioner genom tillträdesmodellen. Konstaterar Baade, "Det till synes speciella fallet med SN 2002ic ger starka bevis på att dessa objekt i själva verket är mycket lika, vilket den fantastiska likheten mellan deras ljuskurvor antyder."
Genom att visa fördelningen av gasen och dammet har spektropolarimetri visat varför supernovaer av typ Ia är så lika, även om massorna, åldrarna, evolutionära tillstånd och banor i deras föregångarsystem kan skilja sig så mycket.
Berkeley Lab är ett amerikanskt avdelning för nationellt energilaboratorium i Berkeley, Kalifornien. Det bedriver oklassificerad vetenskaplig forskning och förvaltas av University of California. Besök vår webbplats på http://www.lbl.gov.
Originalkälla: Berkeley Lab News Release
