Astronomen dachten altijd dat alle type 1a-supernovae in wezen dezelfde helderheid hadden. Dit is een probleem, aangezien dit soort supernova's worden gebruikt als standaardkaarsen, om afstanden over het heelal te bepalen. Meest recentelijk zijn deze supernova's gebruikt om de mysterieuze kracht genaamd donkere energie te berekenen die de uitdijing van het heelal lijkt te versnellen.
Een groep wetenschappers aangesloten bij de SuperNova Legacy Survey (SNLS) heeft verrassend bewijs gevonden dat er meer dan één soort Type Ia-supernova is, een klasse van exploderende sterren die tot nu toe in alle belangrijke opzichten als in wezen uniform werd beschouwd. Supernova SNLS-03D3bb is meer dan twee keer zo helder als de meeste Type Ia-supernovae, maar heeft veel minder kinetische energie en lijkt weer half zo zwaar als een typische Type Ia.
De hoofdauteurs van het rapport, dat verschijnt in het nummer van 21 september van Nature, zijn Andrew Howell, voorheen van de Physics Division van Lawrence Berkeley National Laboratory en nu van de University of Toronto, en Peter Nugent, astrofysicus bij Computational Research van Berkeley Lab Afdeling. Andere hoofdauteurs zijn Mark Sullivan van de Universiteit van Toronto en Richard Ellis van het California Institute of Technology. Deze en veel van de andere auteurs van de Nature-paper zijn lid van het Supernova Cosmology Project, gevestigd in Berkeley Lab.
Omdat bijna alle tot nu toe gevonden type Ia-supernova's niet alleen opmerkelijk helder maar opmerkelijk uniform zijn qua helderheid, worden ze beschouwd als de beste astronomische "standaardkaarsen" voor metingen over kosmologische afstanden. In 1998, na observaties van veel verre Type Ia supernovae, kondigden het Supernova Cosmology Project en het rivaliserende High-Z Supernova Search Team hun ontdekking aan dat de uitdijing van het universum versnelt - een bevinding die spoedig zou worden toegeschreven aan het onbekende iets dat donker wordt genoemd energie, die het heelal vult en de wederzijdse aantrekkingskracht van materie tegengaat.
"Supernovae van type Ia worden beschouwd als betrouwbare afstandsindicatoren omdat ze een standaardhoeveelheid brandstof hebben - de koolstof en zuurstof in een witte dwergster - en ze hebben een uniforme trigger", zegt Nugent. 'Er wordt voorspeld dat ze zullen exploderen wanneer de massa van de witte dwerg de Chandrasekhar-massa nadert, wat ongeveer 1,4 maal de massa van onze zon is. Het feit dat SNLS-03D3bb ruim boven die massa is, opent een doos van Pandora. "
Waarom de meeste Type Ia Supernovae hetzelfde zijn
Classificatie van supernovatypen is gebaseerd op hun spectra. Spectra van type Ia hebben geen waterstoflijnen maar wel siliciumabsorptielijnen, een aanwijzing voor de chemie van hun explosies. Van de witte dwergvoorlopers van Type Ia supernovae, typisch ongeveer tweederde van de massa van de zon, wordt aangenomen dat ze extra massa van een binaire metgezel opbouwen totdat ze de Chandrasekhar-limiet naderen. Toenemende druk zorgt ervoor dat de koolstof en zuurstof in het midden van de ster samensmelten, waardoor de elementen tot nikkel op het periodiek systeem ontstaan; de energie die daarbij vrijkomt, blaast de ster in stukken in een titanische thermonucleaire explosie.
Er zijn enkele variaties waargenomen in Type Ia supernovae, maar deze zijn meestal met elkaar te verzoenen. Helderdere Type Ia's doen er langer over om naar de maximale helderheid te stijgen en langer om te dalen. Wanneer de tijdschalen van individuele lichtkrommen worden uitgerekt om aan de norm te voldoen en de helderheid wordt geschaald volgens de rek, komen Type Ia-lichtkrommen overeen.
Helderheidsverschillen kunnen te wijten zijn aan verschillende koolstof- en zuurstofverhoudingen in de voorlopers, wat resulteert in verschillende uiteindelijke hoeveelheden nikkel in de explosie. Het radioactieve verval van nikkel tot kobalt en vervolgens ijzer drijft de optische en nabij-infrarode lichtkrommen van type Ia supernovae aan. Verschillen in schijnbare helderheid kunnen ook asymmetrische producten zijn; een explosie vanuit de ene hoek kan iets zwakker zijn dan vanuit een andere.
Geen van deze mogelijke verschillen is voldoende om de extreme helderheid van supernova SNLS-03D3bb te verklaren - die veel te helder is vanwege zijn lichtcurve 'uitrekken'. Bovendien beweegt de materie die uit de explosie wordt uitgestoten bij de meeste helderdere supernova's met een hogere snelheid; dat wil zeggen dat deze explosies meer kinetische energie hebben. Maar de ejecta van SNLS-03D3bb was ongewoon langzaam.
"Andy Howell bracht twee en twee bij elkaar en realiseerde zich dat SNLS-03D3bb een superchandrasekhar-massa moet hebben", zegt Nugent.
De massa van bewijs
Een aanwijzing waren de elementen die nodig waren om de extra helderheid te produceren. "Alle kracht in een Type Ia komt van het verbranden van koolstof en zuurstof tot zwaardere elementen, met name nikkel 56", zegt Nugent. “Een Type Ia met normale helderheid maakt ongeveer 60 procent van een zonnemassa van nikkel 56 uit, de rest zijn andere elementen. Maar SNLS-03D3bb is meer dan tweemaal zo helder als normaal; het moet meer dan tweemaal zoveel nikkel 56 hebben. De enige manier om dat te krijgen is met een voorouder die 50 procent zwaarder is dan de Chandrasekhar-massa. "
De andere factor is de traagheid van de ejecta van SNLS-03D3bb, zoals gedetecteerd bij het verschuiven van elementaire lijnen in zijn spectrum. De snelheid van supernova-ejecta hangt af van de kinetische energie die vrijkomt bij de explosie, wat het verschil is tussen de energie die vrijkomt bij thermonucleaire verbranding minus de bindende energie die de ster bij elkaar houdt, een functie van de massa van de ster. Hoe zwaarder de ster, hoe langzamer de ejecta.
Maar hoe kan een koolstof-zuurstofvoorloper ooit massa opbouwen die groter is dan de Chandrasekhar-limiet zonder te exploderen? Het is mogelijk dat een zeer snel draaiende ster zwaarder kan zijn. Het is ook mogelijk dat twee witte dwergen, met een gecombineerde massa ver boven de Chandrasekhar-limiet, kunnen botsen en exploderen.
Nugent zegt: “Een aanwijzing kwam van onze co-auteur Mark Sullivan, die in de SNLS-gegevens al twee verschillende tarieven had gevonden voor de productie van Type Ia-supernova. Ze kunnen grofweg worden onderverdeeld in die van jonge stervormende sterrenstelsels en die van oude, dode sterrenstelsels. Er is dus een aanwijzing dat er mogelijk twee populaties van Type Ia zijn, met twee soorten voorlopers, en twee verschillende paden naar explosie. "
In oude, dode sterrenstelsels zijn zelfs de grootste sterren klein, legt Nugent uit. De enige soorten supernovae van het type Ia die in deze sterrenstelsels mogelijk zijn, zijn waarschijnlijk het binaire systeem, de massa-geaccumuleerde, het chandrasekhar-massatype. Maar jonge stervormende sterrenstelsels produceren enorme objecten en kunnen rijk zijn aan binaire systemen met witte dwerg en witte dwerg, zogenaamde 'dubbel gedegenereerde' systemen.
'Als het dubbel gedegenereerde model juist is, zullen dergelijke systemen in deze zeer jonge sterrenstelsels altijd superchandrasekhar-explosies veroorzaken', zegt Nugent.
Jonge sterrenstelsels komen vaker voor in het vroege heelal, en dus op grotere afstanden. Aangezien verre Type Ia-supernovae cruciaal zijn voor het meten van de evolutie van donkere energie, wordt het essentieel om Type Ia-supernovae duidelijk te identificeren die niet in het Chandrasekhar-massamodel passen. Dit is gemakkelijk te doen met een Type Ia die even vreemd is als SNLS-03D3bb, maar niet alle superchandrasekhar supernovae zijn misschien zo voor de hand liggend.
“Een manier om superchandrasekhar-supernova's te detecteren, is door de ejecta-snelheid te meten en deze te vergelijken met de helderheid. Een andere manier is door meerdere spectra te nemen terwijl de lichtkromme evolueert. Helaas is het nemen van spectra de grootste kostenpost in het hele streven naar onderzoeken naar donkere energie ', zegt Nugent. "De ontwerpers van deze experimenten zullen efficiënte manieren moeten vinden om superchandrasekhar supernovae uit hun monsters te verwijderen."
Modelleren van de variaties
Het was gedeeltelijk in de hoop een snelle en betrouwbare manier te ontwikkelen om kandidaat Type Ia supernovae voor kosmologisch onderzoek te identificeren dat Nugent en coauteur Richard Ellis aanvankelijk Sullivan en andere leden van de SNLS benaderden, met zijn grote database van supernovae. Nugent werkte bij het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), gevestigd in Berkeley Lab, en ontwikkelde een algoritme dat vroeg in de evolutie van een kandidaat-supernova een handvol fotometrische gegevenspunten kon nemen, het positief kon identificeren als een Type Ia en nauwkeurig kon voorspellen zijn tijd van maximale helderheid.
Een van de eerste Type Ia's die op deze manier werd bestudeerd, bleek SNLS-03D3bb zelf te zijn. "Het had zo'n hoge signaal-ruisverhouding gezien de roodverschuiving dat we vanaf het begin hadden moeten vermoeden dat het een ongebruikelijke supernova zou worden", zegt Nugent.
Nugent beschouwt de ontdekking van de eerste aantoonbare superchandrasekhar-supernova als een opwindend vooruitzicht: 'Voor het eerst sinds 1993' - toen de relatie tussen helderheid en lichtkromme vorm werd ontwikkeld - 'hebben we nu een sterke richting om naar de volgende te zoeken parameter die de helderheid van een Type Ia supernova beschrijft. Deze zoektocht kan ons leiden tot een veel beter begrip van hun voorlopers en de systematiek van het gebruik ervan als kosmologische sondes. '
Dit begrip is een van de belangrijkste doelen van het Computational Astrophysics Consortium, onder leiding van Stan Woosley van de University of California in Santa Cruz en ondersteund door het Department of Energy Office of Science via het Scientific Discovery Through Advanced Computing (SciDAC) -programma, met Nugent en John Bell van de Computation Research Division en NERSC onder de leidende partners.
"Chandrasekhar's model van stellaire ineenstorting uit 1931 was elegant en krachtig; het leverde hem de Nobelprijs op ', zegt Nugent. 'Maar het was een eenvoudig eendimensionaal model. Alleen al door rotatie toe te voegen kan men de Chandrasekhar-massa overschrijden, zoals hij zelf erkende. ”
Nu 2D- en 3D-modellen van de supernovae nu mogelijk zijn met supercomputers, zegt Nugent, is het mogelijk om een breder scala aan natuurmogelijkheden te bestuderen. "Dat is het doel van ons SciDAC-project, om de beste modellen en de beste observatiegegevens te krijgen en ze te combineren om de hele wasbol te duwen. Aan het einde van dit project zullen we het meeste weten over allerlei soorten Type Ia supernovae. "
"A type-Ia Supernova From a Super-Chandrasekhar Mass White Dwarf Star", door 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 en Christopher J. Pritchett, verschijnen in het nummer van 21 september van Nature and is online beschikbaar voor abonnees.
Berkeley Lab is een nationaal laboratorium van het Amerikaanse Department of Energy in Berkeley, Californië. Het doet niet-geclassificeerd wetenschappelijk onderzoek en wordt beheerd door de University of California. Bezoek onze website op http://www.lbl.gov.
Oorspronkelijke bron: LBL News Release
