Astronomer brukade tro att alla supernovaer av typ 1a väsentligen hade samma ljusstyrka. Detta är ett problem eftersom denna typ av supernovaer används som standardljus för att bestämma avstånd över universum. Senast har dessa supernovaer använts för att beräkna den mystiska kraften som kallas mörk energi som verkar påskynda universums expansion.
En grupp forskare som är anslutna till SuperNova Legacy Survey (SNLS) har hittat häpnadsväckande bevis på att det finns mer än en typ av supernova av typ Ia, en klass med exploderande stjärnor som hittills har betraktats som väsentligen enhetliga i alla viktiga avseenden. Supernova SNLS-03D3bb är mer än dubbelt så ljus som de flesta supernovaer av typ Ia men har mycket mindre kinetisk energi och verkar vara hälften så massiv som en typisk typ Ia.
Huvudförfattarna till rapporten, som visas i 21 september-numret av Nature, inkluderar Andrew Howell, tidigare av fysikavdelningen vid Lawrence Berkeley National Laboratory och nu vid University of Toronto, och Peter Nugent, en astrofysiker med Berkeley Labs Computational Research Division. Andra huvudförfattare är Mark Sullivan från University of Toronto och Richard Ellis från California Institute of Technology. Dessa och många av de andra författarna till Nature-dokumentet är medlemmar i Supernova Cosmology Project baserat på Berkeley Lab.
Eftersom nästan alla Type Ia-supernovaer hittills hittills inte bara är anmärkningsvärda ljusa men anmärkningsvärt enhetliga i sin ljusstyrka, betraktas de som de bästa astronomiska "standardljusen" för mätning över kosmologiska avstånd. 1998, efter observationer av många avlägsna supernovaer av typ Ia, meddelade Supernova Cosmology Project och det rivaliserande High-Z Supernova Search Team att de upptäckte att universums expansion skulle påskyndas - ett fynd som snart skulle tillskrivas det okända något som kallas mörkt energi, som fyller universum och motsätter sig den ömsesidiga gravitationsattraktionen hos materien.
"Typ Ia-supernovaer anses vara pålitliga avståndsindikatorer eftersom de har en standardmängd bränsle - kolet och syre i en vit dvärgstjärna - och de har en enhetlig trigger", säger Nugent. ”De förutspås explodera när massan av den vita dvärgen närmar sig Chandrasekhar-massan, vilket är ungefär 1,4 gånger massan från vår sol. Det faktum att SNLS-03D3bb är väl över den massa typen öppnar upp en Pandoras låda. "
Varför de flesta typ Ia Supernovaer är desamma
Klassificering av supernovatyper baseras på deras spektra. Spektra av typ Ia har inga vätelinjer men har kiselabsorptionslinjer, en ledtråd till deras explosioners kemi. De vita dvärgföräldrarna av typ Ia-supernovaer, vanligtvis ungefär två tredjedelar av solens massa, tros förvärva ytterligare massa från en binär följeslagare tills de närmar sig Chandrasekhar-gränsen. Ökande tryck får kolet och syre i mitten av stjärnan att smälta samman, vilket ger elementen upp till nickel på det periodiska bordet; energin som frigörs i denna process blåser stjärnan i bitar i en titanisk termonukleär explosion.
Vissa variationer har observerats i typ Ia-supernovaer, men dessa är mestadels förenliga. Ljusare typ Ia tar längre tid att stiga till maximal ljusstyrka och längre tid att minska. När tidsskalorna för enskilda ljuskurvor sträckes för att passa normen och ljusstyrkan skalas enligt sträckan, matchar Ia ljuskurvor.
Ljusstyrka skillnader kan bero på olika förhållanden mellan kol och syre i förfäderna, vilket resulterar i olika slutliga mängder nickel i explosionen. Det radioaktiva förfallet av nickel till kobolt och sedan järn driver de optiska och nära-infraröda ljuskurvorna av typ Ia supernovaer. Skillnader i uppenbar ljusstyrka kan också vara produkter av asymmetri; en explosion sett från en vinkel kan vara något mörkare än från en annan.
Ingen av dessa möjliga skillnader räcker för att förklara supernova SNLS-03D3bb: s extrema ljusstyrka - vilket är mycket för ljust för dess ljuskurva "stretch". Dessutom, i de flesta ljusare supernovaer, reser sig materien från explosionen med högre hastighet; det vill säga, dessa explosioner har mer kinetisk energi. Men utstötningen av SNLS-03D3bb var ovanligt långsam.
"Andy Howell satte två och två ihop och insåg att SNLS-03D3bb måste ha super-Chandrasekhar-massa," säger Nugent.
Bevismassan
En ledtråd var elementen som behövdes för att ge den extra ljusstyrkan. "All kraft i en typ Ia kommer från förbränning av kol och syre till tyngre element, särskilt nickel 56," säger Nugent. ”En typ Ia med normal ljusstyrka utgör cirka 60 procent av en solmassa värt nickel 56, resten är andra element. Men SNLS-03D3bb är mer än dubbelt så ljus som normalt; det måste ha mer än dubbelt så mycket nickel 56. Det enda sättet att få det är med en stamfader som är 50 procent mer massiv än Chandrasekhar-massan. "
Den andra faktorn är långsamheten i SNLS-03D3bbs ejecta, som detekteras i förskjutningen av elementära linjer i sitt spektrum. Hastigheten för supernova ejecta beror på den kinetiska energin som släpps ut i explosionen, vilket är skillnaden mellan energin som frigörs i termonukleär bränning minus den bindande energin som verkar för att hålla stjärnan ihop, en funktion av stjärnmassan. Ju massivare stjärnan, desto långsammare ejecta.
Men hur kan en kol-syreförälder någonsin ackumulera en massa som är större än Chandrasekhar-gränsen utan att explodera? Det är möjligt att en mycket snabbt snurrande stjärna kan vara mer massiv. Det är också möjligt att två vita dvärgar, med en kombinerad massa långt över Chandrasekhar-gränsen, kan kollidera och explodera.
Nugent säger: ”En ledtråd kom från vår medförfattare Mark Sullivan, som i SNLS-uppgifter redan hade funnit två distinkta priser för produktionen av typ Ia-supernova. De kan grovt delas in i de som kommer från unga stjärnbildande galaxer och de från gamla, döda galaxer. Så det finns en indikation på att det kan finnas två populationer av typ Ia, med två typer av förfäder, och två olika vägar för explosion. "
I gamla döda galaxer är till och med de största stjärnorna små, förklarar Nugent. De enda typerna av supernovaer av typ Ia som är möjliga i dessa galaxer är troligtvis det binära systemet, massakretiserande, Chandrasekhar-massatyp. Men unga stjärnbildande galaxer producerar massiva föremål och kan vara rika på vita dvärgar plus vita dvärgs binära system, så kallade ”dubbeldegenererade” system.
"Om den dubbla degenererade modellen är rätt, kommer sådana system alltid att ge super-Chandrasekhar explosioner i dessa mycket unga galaxer," säger Nugent.
Unga galaxer finns mer troligt i det tidiga universum och därmed på större avstånd. Eftersom avlägsna super-supernovaer av typ Ia är avgörande för ansträngningen att mäta utvecklingen av mörk energi, blir det viktigt att tydligt identifiera super-supernovaer av typ Ia som inte passar Chandrasekhar-massmodellen. Detta är lätt att göra med en typ Ia så udda som SNLS-03D3bb, men inte alla super-Chandrasekhar supernovaer kan vara så uppenbara.
”Ett sätt att upptäcka super-Chandrasekhar supernovaer är genom att mäta ejectahastigheten och jämföra den med ljusstyrka. Ett annat sätt är att ta flera spektra när ljuskurvan utvecklas. Tyvärr är det att ta spektra den största kostnaden i hela jakten på studier av mörk energi, säger Nugent. "Formgivarna av dessa experiment måste hitta effektiva sätt att eliminera super-Chandrasekhar supernovaer från sina prover."
Modellera variationerna
Det var delvis i hopp om att utveckla ett snabbt och pålitligt sätt att identifiera kandidater av typ Ia-supernovaer för kosmologisk forskning som Nugent och medförfattare Richard Ellis initialt kontaktade Sullivan och andra medlemmar i SNLS, med sin stora databas av supernovaer. Arbetar vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) baserat på Berkeley Lab, Nugent utvecklade en algoritm som kunde ta en handfull fotometriska datapunkter tidigt i utvecklingen av en kandidatsupernova, positivt identifiera den som en typ Ia och exakt förutsäga dess tid för maximal ljusstyrka.
En av de första typ Ia som studerats på detta sätt visade sig vara SNLS-03D3bb själv. "Det hade ett så högt signal-till-brus-förhållande med tanke på dess rödförskjutning att vi från början skulle ha misstänkt att det skulle bli en ovanlig supernova," säger Nugent.
Nugent betraktar upptäckten av den första påvisbara super-Chandrasekhar supernova som en spännande möjlighet: "För första gången sedan 1993" - när relationen mellan ljushet och ljuskurva utvecklades - "har vi nu en stark riktning för att leta efter nästa parameter som beskriver ljusstyrkan för en typ Ia-supernova. Denna sökning kan leda oss till en mycket bättre förståelse av deras förfäder och systematiken för att använda dem som kosmologiska sonder. "
Denna förståelse är ett av de viktigaste målen för Computational Astrophysics Consortium, leds av Stan Woosley från University of California i Santa Cruz och stöds av Department of Energy's Office of Science genom Scientific Discovery Through Advanced Computing (SciDAC) -programmet med Nugent och John Bell från Computation Research Division och NERSC bland de ledande partnerna.
”Chandrasekhars modell av stellar kollaps från 1931 var elegant och kraftfull; det vann honom Nobelpriset, säger Nugent. ”Men det var en enkel endimensionell modell. Bara genom att lägga till rotation kan man överskrida Chandrasekhar-massan, som han själv erkände. ”
Med två-D- och 3D-modeller av supernovorna som nu är möjliga med superdatorer, säger Nugent, är det möjligt att studera ett bredare spektrum av naturens möjligheter. "Det är målet för vårt SciDAC-projekt, att få de bästa modellerna och de bästa observationsdata och kombinera dem för att driva hela vaxbollen. I slutet av detta projekt vet vi det mest vi kan veta om alla typer av supernovaer av typ Ia. ”
“En typ-Ia Supernova från en Super-Chandrasekhar massa vit dvärgstjärna,” av 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 och Christopher J. Pritchett, visas i 21 september-numret av Nature and är tillgänglig online för prenumeranter.
Berkeley Lab är ett U.S. Department of Energy nationellt laboratorium beläget i Berkeley, Kalifornien. Det bedriver oklassificerad vetenskaplig forskning och förvaltas av University of California. Besök vår webbplats på http://www.lbl.gov.
Originalkälla: LBL News Release
