Supernovor är några av de mest energiska och kraftfulla händelserna i det observerbara universum. Och även om vi vet att supernovor är ansvariga för att skapa de tunga elementen som krävs för allt från planeter till människor till elverktyg, har forskare länge kämpat för att bestämma mekaniken bakom den plötsliga kollaps och efterföljande explosion av massiva stjärnor.
Nu, tack vare NASA: s NuSTAR-uppdrag, har vi våra första fasta ledtrådar till vad som händer innan en stjärna går "boom".
Bilden ovan visar supernovaresten Cassiopeia A (eller Cas A för kort) med NuSTAR-data i blått och observationer från Chandra röntgenobservatorium i rött, grönt och gult. Det är den chockvågen som blev kvar från explosionen av en stjärna ungefär 15 till 25 gånger massivare än vår sol för 330 år sedan *, och den glöder i olika våglängder i ljus beroende på temperaturer och typer av element som finns.
Tidigare observationer med Chandra avslöjade röntgenutsläpp från expanderande skal och filament av het järnrikt gas i Cas A, men de kunde inte kika djupa nog för att få en bättre uppfattning om vad som finns i strukturen. Det var inte förrän NASA: s Nuclear Spectroscopic Telescope Array - det är NuSTAR för dem som är kända - vände sin röntgenvision på Cas A att de saknade pusselbitarna kunde hittas.
Och de är gjorda av radioaktivt titan.
Många modeller har gjorts (med miljoner timmar superdatortid) för att försöka förklara supernovor från kärnkollaps. En av de ledande har stjärna sönder i stycket av kraftfulla jetflygningar som skjuter från sina stolpar - något som är förknippat med ännu kraftigare (men fokuserade) gammastrålningsbrister. Men det verkade inte som att jetplan var orsaken till Cas A, som inte uppvisar elementära rester inom sina jetstrukturer ... och dessutom resulterade inte modellerna som förlitar sig på jets bara alltid en fullblåst supernova.
Det visar sig att närvaron av asymmetriska klumpar av radioaktivt titan djupt i skalen hos Cas A, avslöjade i högenergi röntgenstrålar av NuSTAR, pekar på en överraskande annorlunda process att spela: en "sloshing" av material i föräldern stjärna som kickstarts en chockvåg, i slutändan riva den isär.
Se en animering av hur denna process sker:
Den sloshing, som inträffar under en tidsperiod på bara några hundra millisekunder - bokstavligen i ett ögonblick - liknar kokande vatten på en spis. När bubblorna bryter igenom ytan bryter ångan upp.
Endast i detta fall leder utbrottet till den vansinnigt kraftfulla detonationen av en hel stjärna, sprängning av en chockvåg av högenergiska partiklar i det interstellära mediet och sprider ett periodiskt bord fullt av tunga element i galaxen.
I fallet med Cas A utkastades titan-44, i klumpar som ekar formen på den ursprungliga sloshing asymmetri. NuSTAR kunde bilden och kartlägga titanet, som lyser i röntgen på grund av dess radioaktivitet (och inte för att det värms upp genom att expandera chockvågor, som andra lättare element som är synliga för Chandra.)
"Tills vi hade NuSTAR kunde vi inte riktigt se ner i explosionens kärna", sa Caltech-astronomen Brian Grefenstette under en NASA-telefonkonferens den 19 februari.
”Tidigare var det svårt att tolka vad som hände i Cas A eftersom materialet som vi kunde se bara lyser i röntgenstrålar när det värms upp. Nu när vi kan se det radioaktiva materialet, som lyser i röntgenstrålar oavsett vad, får vi en mer fullständig bild av vad som hände i kärnan i explosionen. ”
- Brian Grefenstette, huvudförfattare, Caltech
Okej, så bra, säger du. NASA: s NuSTAR har hittat glödet av titan i resterna av en sprängd stjärna, Chandra såg lite järn, och vi vet att det skakade och 'kokade' en bråkdel av en sekund innan den exploderade. Än sen då?
"Nu borde du bry dig om detta", sa astronomen Robert Kirshner från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. ”Supernovaer tillverkar de kemiska elementen, så om du köpte en amerikansk bil, gjordes den inte i Detroit för två år sedan; järnatomerna i det stålet tillverkades i en forntida supernovaexplosion som ägde rum för fem miljarder år sedan. Och NuSTAR visar att titanet som finns i din farbror Jacks ersättande höft gjordes också i den explosionen.
”Vi är alla stardust, och NuSTAR visar oss var vi kom ifrån. Inklusive våra reservdelar. Så du borde bry dig om det här ... och det skulle också din farbror Jack. "
Och det är inte bara kärnkollaps-supernovor som NuSTAR kommer att kunna undersöka. Andra typer av supernovor kommer också att granskas - när det gäller SN2014J, en typ Ia som upptäcktes i M82 i januari, även efter att de inträffade.
"Vi vet att det är en typ av vit dvärgstjärna som detonerar," svarade NuSTAR: s huvudutredare Fiona Harrison på Space Magazine under telefonkonferensen. "Det här är mycket spännande nyheter ... NuSTAR har tittat på [SN2014J] i flera veckor, och vi hoppas kunna säga något om den explosionen också."
En av de mest värdefulla prestationerna från de senaste nyheterna från NuSTAR är att ha en ny uppsättning observerade begränsningar att placera på framtida modeller av kärnkollaps-supernovor ... som kommer att hjälpa till att ge svar - och troligtvis nya frågor - om hur stjärnor exploderar, till och med hundratals eller tusentals av år efter det.
"NuSTAR är banbrytande vetenskap, och du måste förvänta dig att när du får nya resultat kommer det att öppna upp så många frågor som du svarar," sade Kirshner.
NuSTAR, som startades i juni 2012, är det första fokuserade hårda röntgenteleskopet som kretsar runt jorden och det första teleskopet som kan producera kartor över radioaktiva element i supernovarester.
Läs mer om JPLs nyhetsmeddelande här och lyssna på hela presskonferensen här.
* Eftersom Cas A bor 11 000 ljusår från jorden skulle supernovas faktiska datum vara ungefär 11,330 år sedan. Ge eller ta några.
