Bildkredit: Hubble
En ny artikel publicerad i tidskriften Nature hjälper till att lösa ett långvarigt mysterium om några av de tidigaste fasta partiklarna i universum. Varmt damm hade hittats tidigare, men det kallare dammet var mest osynligt - fram till nu. Det verkar som att supernovaer är extremt effektiva för att producera det damm som senare bildar planeter, stenar och människor.
Vi har precis upptäckt att vissa supernovaer har dåliga vanor - de sträcker ut enorma mängder rök, känd som kosmiskt damm. Detta löser ett långvarigt mysterium över ursprunget till kosmiskt damm och antyder att supernovaer, som är exploderande stjärnor, var ansvariga för att producera de allra första fasta partiklarna i universumet.
De främsta misstänkta
Supernovaer är de våldsamma explosionerna av stjärnor som inträffar i slutet av deras liv. De förekommer ungefär var 50: e år i vår Galaxy och det finns två huvudtyper - typ Ia och II. Typ II är explosionerna av mycket massiva stjärnor med massan större än 8 gånger solens massa (Msun). Dessa stjärnor är "leva snabbt - dör unga" och använder upp sitt väte och heliumbränsle på bara några miljoner år, tusentals gånger snabbare än solen bränner bränsle. När bränsletillförseln är utmattad måste stjärnan bränna tyngre och tyngre element tills, slutligen, när den inte kan göra mer för att hålla sig vid liv, de inre delarna av stjärna kollapsar för att bilda en neutronstjärna eller svart hål, och de yttre delarna kastas i katastrofen kallar vi en supernova. Den enorma explosionen sveper upp den omgivande gasen till ett skal som lyser vid röntgenstrålar, optiska vågor och radiovåglängder och skickar chockvågor genom galaxen. Supernovaer släpper mer energi på ett enda ögonblick än solen kommer att producera under hela sin livstid. Om den närmaste massiva stjärnan, Betelgeuse i konstellationen Orion, skulle bli supernova skulle den (för en kort tid) vara ljusare än fullmånen.
Den kosmiska rökskärmen
Mellanstjärnigt damm består av små partiklar av fast material som svävar runt i utrymmet mellan stjärnorna - med storleken typiskt cigarettrök. Det är inte detsamma som det damm vi städar upp i våra hus, och i själva verket är jorden en gigantisk klump av kosmiskt damm! Det ansvarar för att blockera ungefär hälften av allt ljus som släpps ut från stjärnor och galaxer och påverkar djupt vår syn på universum. Detta "dammiga" moln har dock ett silverfoder, eftersom astronomerna kan "se" dammet som strålar ut det stulna stjärnljuset med hjälp av speciella kameror som är utformade för att arbeta vid längre våglängder, i infraröd (IR: 10 - 100 mikron) och submillimeter ( sub-mm: 0,3 - 1 mm) del av det elektromagnetiska spektrumet. En sådan kamera heter SCUBA och ligger på James Clerk Maxwell Telescope på Hawaii. SCUBA är ett instrument i Storbritannien som upptäcker ljusvågor vid våglängder på under mm och kan se damm precis där de längsta stjärnorna och galaxerna finns.
Dusty början
Nya observationer med SCUBA har visat att en enorm mängd damm finns i galaxer och kvasarer när universum bara var 1/10 av sin nuvarande tid, långt innan jorden och solsystemet hade bildats. Förekomsten av allt detta damm i det avlägsna universum har en stor inverkan på vad astronomer kan se med sina jätteoptiska teleskoper, eftersom det begränsar mängden stjärnbelysning som kan fly från en avlägsen galax och ses på jorden.
Att det fanns så många fasta partiklar i universum vid så tidigt tid var en stor överraskning för astronomer eftersom de hade trott att damm främst bildades i svala vindar från röda jätte stjärnor nära slutet av deras liv. Eftersom det tar lång tid för stjärnan att nå detta skede i sin utveckling (solen kommer att ta cirka 9 miljarder år) har det helt enkelt inte varit tillräckligt med tid för att så mycket damm har gjorts på detta sätt.
‘Damm har sopats under den kosmiska mattan - i åratal har astronomer behandlat det som en olägenhet på grund av hur det döljer ljuset från stjärnorna. Men då upptäckte vi att det finns damm precis vid kanten av universum, i de tidigaste stjärnorna och galaxerna, och vi insåg att vi var okunniga om dess grundläggande ursprung, förklarade Dr Dunne.
Supernovaer tillverkar också stora mängder tunga element, till exempel kol och syre, och kastar dem ut i det interstellära utrymmet. Dessa är de element som utgör våra kroppar, och eftersom de också är de element som utgör dammkorn har supernovaer länge varit en främst misstänkt i mysteriet om ursprunget till kosmiskt damm. Eftersom det bara tar några miljoner år för de mest massiva stjärnorna att nå slutet på liv och explodera som supernovaer, kunde de göra damm tillräckligt snabbt för att förklara vad man ser i det tidiga universum. Fram till detta teams arbete hade emellertid bara små mängder damm hittats i supernovaer - vilket lämnade astronomer med en rökpistol men ingen "rök"
Haley Morgan, en doktorand på Cardiff sa "Om supernovaer var effektiva dammfabriker skulle de var och en producera mer än solens massa i damm."
"När massiva stjärnor utvecklas till att bli supernovaer med ett ögonblick med astronomiska standarder, kan de lätt förklara varför det tidiga universumet verkar så dammigt." Lägger till Rob Rob Ivison från Royal Observatory Edinburgh.
Supernova Sleuths
Teamet från Cardiff och Edinburgh använde SCUBA för att leta efter utsläpp från damm i resterna av en ny supernova. Cassiopeia A är resterna av en supernova som hände för ungefär 320 år sedan. Det är beläget i konstellationen Cassiopeia, 11 000 ljusår från jorden och är cirka 10 ljusår över. Cas A är den ljusaste radiokällan på himlen så den är väl studerad vid många våglängder från de optiska till röntgenstrålarna. Bilderna nedan visar Cas A i röntgenstrålarna, optisk, infraröd och radio. Röntgenstrålarna följer den riktigt heta gasen (10 miljoner grader Kelvin), och de andra våglängderna spårar material vid: 10 tusen grader (optiskt), hett damm vid 100 K (IR) och högenergi-elektroner (radio).
Även om astronomer letade efter damm i supernovarester i årtionden, hade de använt instrument som bara kunde upptäcka damm som var ganska varmt, till exempel i ISO-infraröda bilden ovan. SCUBA har fördelen här eftersom den kan se damm som är mycket kallt och det beror på att det fungerar med längre våglängder under mm.
"På samma sätt som du bara kan se en järnpoker som lyser när det har varit i en eld, kan du bara se damm med infraröda kameror när det är varmare än cirka 25 Kelvin, men SCUBA kan se det när det är kallare också." förklarade Dr. Steve Eales, läsare i astrofysik vid Cardiff University.
Kallt hårt bevis
SCUBA hittade en stor mängd damm i Cas A-rest, 1-4 gånger mer än solens massa! Detta är mer än 1 000 gånger mer än tidigare sett. Detta betyder att Cas A var mycket effektiv när det gäller att skapa damm från tillgängliga element. Dammets temperatur är mycket låg, endast 18 Kelvin (-257 grader Celsius), och det är anledningen till att det aldrig har sett förut. Nedan visas de två sub-mm-bilderna av Cas A på 850 och 450 mikron tagna med SCUBA. Du kan se att den vänstra bilden ser lite ut som radion ovan, och det beror på att de högenergiska elektronerna som gör att radiobilden också avger en del av sin energi på något kortare våglängder - förorenar sub-mm-utsläppet vid 850mikron. Den mellersta bilden är på 450 mikron där föroreningen är mycket lägre, och det mesta av detta utsläpp kommer från kallt damm. Om vi tar bort föroreningen får vi en annan bild (till höger). Allt damm ses i den nedre halvan av resterna och de två sub-mm-bilderna ser nu mycket mer ut!
850 mikron utan radiokontaminering
"Pusslet är hur dammet kan förbli så kallt när vi vet att det finns gas i över en miljon grader närvarande från röntgenstrålningen som det avger." Kommenterade professor Mike Edmunds, chef för School of Physics & Astronomy i Cardiff.
Dammet har också olika egenskaper som den "vardagliga" typen av damm i Vintergatan och andra galaxer - det är bättre att "lysa" i sub-mm, kanske för att det fortfarande är väldigt ungt och relativt orört. Om alla supernovaer var så effektiva att göra damm skulle de vara de största dammfabrikerna i Galaxy. Rökande supernovaer ger en lösning på mysteriet om de enorma mängder damm som sågs i det tidiga universum.
"Dessa observationer ger oss ett frestande glimt av hur de första fasta partiklarna i universum skapades" sade Haley Morgan.
Originalkälla: Cardiff University News Release
