När stjärnor når slutet av sin livscykel kommer många att blåsa av sina yttre lager i en explosiv process som kallas en supernova. Även om astronomer har lärt sig mycket om detta fenomen, tack vare sofistikerade instrument som kan studera dem i flera våglängder, finns det fortfarande en hel del som vi inte vet om supernovaer och deras rester.
Till exempel finns det fortfarande olösta frågor om mekanismerna som driver de resulterande chockvågorna från en supernova. Emellertid använde ett internationellt forskargrupp nyligen data som erhållits av Chandra X-Ray Observatory av en närliggande supernova (SN1987A) och nya simuleringar för att mäta atomernas temperatur i den resulterande chockvågen.
Studien, med titeln "Kollisionslös chockuppvärmning av tunga joner i SN 1987A", dykte nyligen upp i den vetenskapliga tidskriften Natur. Teamet leddes av Marco Miceli och Salvatore Orlando från University of Palermo, Italien och bestod av medlemmar från National Institute of Astrophysics (INAF), Institute for Applied Problem in Mechanics and Mathematics, Pennsylvania State and Northwestern University .
För deras studie kombinerade teamet Chandra-observationer av SN 1987A med simuleringar för att mäta atomernas temperatur i supernovas chockvåg. På så sätt bekräftade teamet att atomernas temperatur är relaterad till deras atomvikt, ett resultat som svarar på en långvarig fråga om chockvågor och mekanismerna som driver dem.
Som David Burrows, professor i astronomi och astrofysik vid Penn State och en medförfattare till studien, sa i ett pressmeddelande från Penn State:
”Supernova-explosioner och deras rester ger kosmiska laboratorier som gör det möjligt för oss att utforska fysik under extrema förhållanden som inte kan dupliceras på jorden. Moderna astronomiska teleskoper och instrumentering, både markbaserade och rymdbaserade, har gjort det möjligt för oss att utföra detaljerade studier av supernovarester i vår galax och närliggande galaxer. Vi har genomfört regelbundna observationer av supernovarester SN1987A med hjälp av NASA: s Chandra röntgenobservatorium, världens bästa röntgenteleskop, sedan kort efter att Chandra lanserades 1999, och använde simuleringar för att svara på långvariga frågor om chockvågor. "
När större stjärnor genomgår gravitationskollaps, drivs den resulterande explosionen utåt med hastigheter upp till en tiondel ljusets hastighet, och driver chockvågor in i den omgivande interstellära gasen. Där chockvågen möter den långsamt rörande gasen som omger stjärnan, har du "chockfronten". Denna övergångszon värmer upp den kalla gasen till miljoner grader och leder till utsläpp av röntgenstrålar som kan observeras.
Under en tid har astronomer varit intresserade av denna region av en supernovas chockvåg, eftersom det markerar övergången mellan en döende stjärnas explosiva kraft och den omgivande gasen. Som Burrows liknade det:
”Övergången liknar den som observerats i en diskbänk när en höghastighetsström av vatten träffar tvättstället och flyter smidigt utåt tills det plötsligt hoppar i höjden och blir turbulent. Chockfronter har studerats omfattande i jordens atmosfär, där de förekommer över en extremt smal region. Men i rymden är chockövergångar gradvisa och kanske inte påverkar atomer i alla element på samma sätt. ”
Genom att undersöka temperaturen i olika element bakom en supernovas chockfront hoppas astronomer att förbättra vår förståelse för chockprocessens fysik. Även om elementernas temperaturer har förväntats stå i proportion till deras atomvikt, har det varit svårt att få exakta mätningar. Tidigare studier har inte bara lett till motstridiga resultat, de har också misslyckats med att inkludera de tunga elementen i sina analyser.
För att ta itu med detta såg teamet på Supernova SN1987A, som ligger i det stora magellanska molnet och först blev uppenbart 1987. Förutom att det var den första supernova som var synlig för det blotta ögat sedan Keplers Supernova (1604), var det först studeras i alla våglängder för ljus (från radiovågor till röntgenstrålar och gammavågor) med moderna teleskoper.
Medan tidigare modeller av SN 1987A vanligtvis har förlitat sig på enstaka observationer, använde forskarteamet tredimensionella numeriska simuleringar för att visa supernovas utveckling. De jämförde sedan dessa med röntgenobservationer från Chandra för att noggrant mäta atomtemperaturerna, vilket bekräftade deras förväntningar.
"Vi kan nu mäta temperaturen hos element som är så tunga som kisel och järn och har visat att de verkligen följer förhållandet att temperaturen för varje element är proportionell mot atomens vikt," sade Burrows. "Detta resultat löser en viktig fråga i förståelsen av astrofysiska chockvågor och förbättrar vår förståelse för chockprocessen."
Denna senaste studie representerar ett betydande steg för astronomer och förde dem närmare en förståelse av en supernovas mekanik. Genom att låsa upp deras hemligheter, kommer vi att lära oss mer om en process som är grundläggande för den kosmiska evolutionen, vilket är hur stjärnornas död påverkar det omgivande universum.
