Bildkredit: ESO
Nya data som samlats in av European Southern Observatory's Very Large Telescope (VLT) verkar tyder på att supernovaer kanske inte är symmetriska när de exploderar - deras ljusstyrka förändras beroende på hur du ser på dem. Om de är ljusare eller ljusare beroende på hur du tittar på dem, kan det orsaka fel i dina avståndsberäkningar. Men den nya forskningen indikerar att de blir mer symmetriska med tiden, så astronomer behöver bara vänta lite innan de gör sina beräkningar.
Ett internationellt team av astronomer [2] har genomfört nya och mycket detaljerade observationer av en supernova i en avlägsen galax med ESO Very Large Telescope (VLT) vid Paranal Observatory (Chile). De visar för första gången att en viss typ av supernova, orsakad av explosionen av en ”vit dvärg”, en tät stjärna med en massa runt solens, är asymmetrisk under de första utvidgningsfaserna.
Betydelsen av denna observation är mycket större än vad som verkar vid en första anblick. Denna speciella typ av supernova, benämnd ”Typ Ia”, spelar en mycket viktig roll i de aktuella försöken att kartlägga universum. Det har länge antagits att typ Ia-supernovaer alla har samma inneboende ljusstyrka och förtjänar ett smeknamn som ”standardljus”.
I så fall återspeglar skillnader i den observerade ljusstyrkan mellan enskilda supernovaer av denna typ helt enkelt deras olika avstånd. Detta och det faktum att toppljusstyrkan för dessa supernovorivaler som i deras modergalax, har gjort det möjligt att mäta avstånd till och med mycket avlägsna galaxer. Vissa uppenbara skillnader som nyligen konstaterats har lett till upptäckten av kosmisk acceleration.
Emellertid innebär denna första clearcutobservation av explosionasymmetri i en typ Ia-supernova att den exakta ljusstyrkan för ett sådant objekt beror på vinkeln från vilken det ses. Eftersom denna vinkel är okänd för någon speciell supernova, introducerar detta uppenbarligen en mängd osäkerhet i denna typ av grundläggande distansmätningar i universum som måste beaktas i framtiden.
Lyckligtvis visar VLT-uppgifterna också att om du väntar lite - vilket i observationsmässiga termer gör det möjligt att titta djupare in i den expanderande eldkula - så blir det mer sfäriskt. Avståndsbestämningar av supernovaer som utförs i detta senare skede kommer därför att vara mer exakta.
Supernova-explosioner och kosmiska avstånd
Under Type Ia-supernovahändelser exploderar rester av stjärnor med en initial massa på upp till några gånger solens (så kallade ”vita dvärgstjärnor”) och lämnar inget annat än ett snabbt växande moln av ”stardust”.
Supernovaer av typ Ia är tydligen ganska lika varandra. Detta ger dem en mycket användbar roll som ”standardljus” som kan användas för att mäta kosmiska avstånd. Deras topp ljusstyrka konkurrerar med deras föräldra galax, och därför kvalificera dem som främsta kosmiska måttstockar.
Astronomer har utnyttjat denna lyckliga situation för att studera vårt universums expansionshistoria. De kom nyligen till den grundläggande slutsatsen att universum expanderar i en accelererande takt, jfr. ESO PR 21/98, december 1998 (se även Supernova Acceleration Probe-webbsidan).
Explosionen av en vit dvärgstjärna
I de mest accepterade modellerna av supernovaer av typ Ia kretsar den vita explosionen av den vita dvärgstjärnan om en solliknande följeslagare och fullbordar en revolution med några timmar. På grund av den nära samverkan förlorar följeslagaren stjärna kontinuerligt massa, av vilken en del plockas upp (i astronomisk terminologi: "ackrediterad") av den vita dvärgen.
En vit dvärg representerar det näst sista stadiet av en solstjärna. Kärnreaktorn i sin kärna har slut på bränsle för länge sedan och är nu inaktiv. Vid någon tidpunkt kommer dock monteringsvikten för det ackumulerande materialet att ha ökat trycket inuti den vita dvärgen så mycket att kärnkraften i det där kommer att antändas och börja bränna till ännu tyngre element. Denna process blir mycket snabbt okontrollerad och hela stjärnan blåses i stycken i en dramatisk händelse. En extremt het eldkula ses som ofta överträffar värdgalaxen.
Formen på explosionen
Även om alla supernovaer av typ Ia har ganska liknande egenskaper, har det aldrig varit tydligt hittills hur liknande en sådan händelse skulle se ut för observatörer som ser den från olika riktningar. Alla ägg ser likartade och oskiljbara ut från varandra när de betraktas från samma vinkel, men sidovyn (oval) skiljer sig uppenbarligen från slutvyen (rund).
Och faktiskt, om typ Ia-supernovaexplosioner var asymmetriska, skulle de lysa med olika ljusstyrka i olika riktningar. Observationer av olika supernovaer - sett under olika vinklar - kunde därför inte jämföras direkt.
Att man inte känner till dessa vinklar, men astronomerna skulle då sluta felaktiga avstånd och precisionen för denna grundläggande metod för att mäta universums struktur skulle vara ifrågasatt.
Polarimetri till undsättning
En enkel beräkning visar att även för örnögonen på VLT-interferometern (VLTI), kommer alla supernovaer på kosmologiska avstånd att framträda som olösta ljuspunkter; de är helt enkelt för långt. Men det finns ett annat sätt att bestämma vinkeln vid vilken en viss supernova ses: polarimetri är trickets namn!
Polarimetri fungerar enligt följande: ljuset består av elektromagnetiska vågor (eller fotoner) som svänger i vissa riktningar (plan). Reflektion eller spridning av ljus gynnar vissa orienteringar av elektriska och magnetiska fält över andra. Det är därför polariserande solglasögon kan filtrera bort glänsande solljus som reflekterar från ett damm.
När ljus sprids genom det expanderande skräpet från en supernova behåller det information om orienteringen av spridningslagren. Om supernova är sfäriskt symmetrisk kommer alla orienteringar att vara lika närvarande och kommer att genomsnittliga ut, så det blir ingen nätpolarisation. Om gasshöljet emellertid inte är runt kommer en lätt nätpolarisering att tryckas på ljuset.
”Även för ganska märkbara asymmetrier är polarisationen dock mycket liten och överstiger knappt nivån på en procent”, säger Dietrich Baade, ESO-astronom och en medlem av teamet som utförde observationerna. ”Att mäta dem kräver ett instrument som är mycket känsligt och mycket stabilt. ”
Mätningen i svaga och avlägsna ljuskällor av skillnader på en nivå mindre än en procent är en betydande observationsutmaning. ”Men ESO Very Large Telescope (VLT) erbjuder precisionen, den ljusuppsamlande kraften samt den specialiserade instrumentering som krävs för en så krävande polarimetrisk observation”, förklarar Dietrich Baade. ”Men det här projektet hade inte varit möjligt utan att VLT kördes i serviceläge. Det är verkligen omöjligt att förutsäga när en supernova kommer att explodera och vi måste vara redo hela tiden. Endast serviceläge tillåter observationer med kort varsel. För några år sedan var det ett framsynt och modigt beslut av ESO: s direktorat att lägga så mycket betoning på serviceläge. Och det var teamet av kompetenta och hängivna ESO-astronomer på Paranal som gjorde detta koncept till en praktisk framgång ”, tillägger han.
Astronomerna [1] använde VLT multi-mode FORS1 instrument för att observera SN 2001el, en supernova av typ Ia som upptäcktes i september 2001 i galaxen NGC 1448, jfr. PR Photo 24a / 03 på ett avstånd av 60 miljoner ljusår.
Observationer som erhölls ungefär en vecka innan denna supernova nådde maximal ljusstyrka runt 2 oktober avslöjade polarisering vid nivåer av 0,2-0,3% (PR Photo 24b / 03). Nära maximalt ljus och upp till två veckor därefter var polarisationen fortfarande mätbar. Sex veckor efter maximalt hade polarisationen sjunkit under detekterbarhet.
Detta är första gången någonsin att en normal supernova av typ Ia har visat sig uppvisa sådant tydligt bevis på asymmetri.
Ser djupare in i supernova
Omedelbart efter supernovaexplosionen rör sig det mesta av det utvisade materialet med hastigheter runt 10 000 km / sek. Under denna expansion blir de yttersta lagren gradvis mer transparenta. Med tiden kan man således se djupare och djupare in i supernova.
Polariseringen uppmätt i SN 2001el ger därför bevis på att de yttersta delarna av supernova (som först ses) är signifikant asymmetriska. Senare, när VLT-observationerna "tränger in" djupare mot supernovas hjärta, blir explosionsgeometri alltmer symmetrisk.
Om den modelleras i termer av en platt formad sfäroidal form, innebär den uppmätta polarisationen i SN 2001el ett mindre-till-huvudaxelförhållande på cirka 0,9 innan maximal ljusstyrka uppnås och en sfäriskt symmetrisk geometri från cirka en vecka efter detta maximala och framåt.
Kosmologiska konsekvenser
En av nyckelparametrarna på vilka uppskattningar av typ Ia är baserade är den optiska ljusstyrkan maximalt. Den uppmätta asphericiteten i detta ögonblick skulle införa en absolut ljusstyrkausäkerhet (dispersion) på cirka 10% om ingen korrigering gjordes för betraktningsvinkeln (vilket inte är känt).
Medan supernovaer av typ Ia är överlägset de bästa standardljusen för att mäta kosmologiska avstånd, och därmed för att undersöka den så kallade mörka energin, kvarstår en liten mätosäkerhet.
"Asymmetri som vi har uppmätt i SN 2001el är tillräckligt stor för att förklara en stor del av denna inneboende osäkerhet", säger Lifan Wang, teamets ledare. ”Om alla Type Ia-supernovaer är så här, kommer det att stå för mycket av spridningen i ljusstyrkor. De kan vara ännu mer enhetliga än vi trodde. ”
Att minska spridningen i ljusstyrkor kan naturligtvis också uppnås genom att öka antalet supernovaer vi observerar, men med tanke på att dessa mätningar kräver de största och dyraste teleskop i världen, som VLT, är detta inte den mest effektiva metoden.
Om ljusstyrkan uppmättes en vecka eller två efter att maximalt använts istället skulle sfäriteten då ha återställts och det skulle inte uppstå några systematiska fel från den okända synvinkeln. Genom denna lilla förändring av observationsproceduren kan supernovaer av typ Ia bli ännu mer pålitliga kosmiska mål.
Teoretiska konsekvenser
Den nuvarande upptäckten av polariserade spektrala särdrag tyder starkt på att för att förstå den underliggande fysiken måste den teoretiska modelleringen av typ Ia-supernovahändelser göras i alla tre dimensioner med mer noggrannhet än vad som för närvarande görs. Faktum är att de tillgängliga, mycket komplexa hydrodynamiska beräkningarna hittills inte har kunnat återge de strukturer som exponerats av SN 2001el.
Mer information
Resultaten som presenterades i detta pressmeddelande har beskrivits i ett forskningsdokument i ”Astrophysical Journal” (”Spectropolarimetry of SN 2001el in NGC 1448: Asphericity of a Normal Type Ia Supernova” av Lifan Wang och medförfattare, bind 591, p 1110).
anteckningar
[1]: Detta är ett samordnat ESO / Lawrence Berkeley National Laboratory / Univ. av Texas Press Release. Pressmeddelandet från LBNL finns här.
[2]: Teamet består av Lifan Wang, Dietrich Baade, Peter H? Flich, Alexei Khokhlov, J. Craig Wheeler, Daniel Kasen, Peter E. Nugent, Saul Perlmutter, Claes Fransson och Peter Lundqvist.
Ursprungskälla: ESO News Release
