Wanneer sterren het einde van hun levenscyclus bereiken, zullen velen hun buitenste lagen afblazen in een explosief proces dat bekend staat als een supernova. Hoewel astronomen veel over dit fenomeen hebben geleerd, is er dankzij geavanceerde instrumenten die ze in meerdere golflengten kunnen bestuderen, nog steeds veel dat we niet weten over supernova's en hun overblijfselen.
Er zijn bijvoorbeeld nog steeds onopgeloste vragen over de mechanismen die de resulterende schokgolven van een supernova aandrijven. Een internationaal team van onderzoekers heeft onlangs echter gegevens gebruikt die zijn verkregen door de Chandra X-Ray Observatory van een nabijgelegen supernova (SN1987A) en nieuwe simulaties om de temperatuur van de atomen in de resulterende schokgolf te meten.
De studie, getiteld "Collisionless shock heating of heavy ionions in SN 1987A", verscheen onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur. Het team werd geleid door Marco Miceli en Salvatore Orlando van de Universiteit van Palermo, Italië, en bestond uit leden van het National Institute of Astrophysics (INAF), het Institute for Applied Problems in Mechanics and Mathematics, en Pennsylvania State and Northwestern University .
Omwille van hun studie combineerde het team Chandra-waarnemingen van SN 1987A met simulaties om de temperatuur van atomen in de schokgolf van de supernova te meten. Hiermee bevestigde het team dat de temperatuur van de atomen gerelateerd is aan hun atoomgewicht, een resultaat dat een al lang bestaande vraag over schokgolven en de mechanismen die ze aandrijven beantwoordt.
Zoals David Burrows, een professor in astronomie en astrofysica aan Penn State en co-auteur van de studie, in een persbericht van Penn State zei:
“Supernova-explosies en hun overblijfselen bieden kosmische laboratoria die ons in staat stellen de natuurkunde te onderzoeken in extreme omstandigheden die niet op aarde kunnen worden gedupliceerd. Moderne astronomische telescopen en instrumenten, zowel op de grond als in de ruimte, hebben ons in staat gesteld om gedetailleerde onderzoeken uit te voeren naar supernovaresten in ons sterrenstelsel en nabijgelegen sterrenstelsels. We hebben regelmatig supernovarest SN1987A geobserveerd met behulp van NASA's Chandra X-ray Observatory, de beste röntgentelescoop sinds kort na de lancering van Chandra in 1999, en gebruikten simulaties om langdurige vragen over schokgolven te beantwoorden. "
Wanneer grotere sterren door zwaartekracht ineenstorten, stuwt de resulterende explosie materiaal naar buiten met snelheden tot een tiende van de lichtsnelheid, waardoor schokgolven het omringende interstellaire gas worden geduwd. Waar de schokgolf het langzaam bewegende gas rond de ster ontmoet, heb je het 'schokfront'. Deze overgangszone verwarmt het koele gas tot miljoenen graden en leidt tot de emissie van röntgenstralen die kunnen worden waargenomen.
Astronomen zijn al geruime tijd geïnteresseerd in dit gebied van de schokgolf van een supernova, omdat het de overgang markeert tussen de explosieve kracht van een stervende ster en het omringende gas. Zoals Burrows het vergeleek:
“De overgang is vergelijkbaar met die in een gootsteen wanneer een hogesnelheidsstroom van water de gootsteen raakt, soepel naar buiten stroomt totdat het abrupt in de hoogte springt en turbulent wordt. Schokfronten zijn uitgebreid bestudeerd in de atmosfeer van de aarde, waar ze voorkomen in een extreem smal gebied. Maar in de ruimte zijn schokovergangen geleidelijk en kunnen ze niet op dezelfde manier atomen van alle elementen beïnvloeden. ”
Door de temperaturen van verschillende elementen achter het schokfront van een supernova te onderzoeken, hopen astronomen ons begrip van de fysica van het schokproces te verbeteren. Hoewel verwacht werd dat de temperaturen van de elementen evenredig zouden zijn met hun atoomgewicht, was het verkrijgen van nauwkeurige metingen moeilijk. Niet alleen hebben eerdere onderzoeken tot tegenstrijdige resultaten geleid, ook hebben zij de zware elementen niet in hun analyses opgenomen.
Om dit aan te pakken, keek het team naar Supernova SN1987A, dat zich in de Grote Magelhaense Wolk bevindt en voor het eerst duidelijk werd in 1987. Het was niet alleen de eerste supernova die met het blote oog zichtbaar was sinds Kepler's Supernova (1604), het was de eerst bestudeerd in alle golflengten van licht (van radiogolven tot röntgenstralen en gammagolven) met moderne telescopen.
Waar eerdere modellen van SN 1987A doorgaans gebruikten van enkele waarnemingen, gebruikte het onderzoeksteam driedimensionale numerieke simulaties om de evolutie van de supernova te laten zien. Vervolgens vergeleken ze deze met röntgenobservaties van Chandra om de atomaire temperaturen nauwkeurig te meten, wat hun verwachtingen bevestigde.
"We kunnen nu nauwkeurig de temperaturen meten van elementen zo zwaar als silicium en ijzer, en hebben aangetoond dat ze inderdaad de relatie volgen dat de temperatuur van elk element evenredig is met het atoomgewicht van dat element", aldus Burrows. "Dit resultaat geeft een oplossing voor een belangrijk probleem bij het begrijpen van astrofysische schokgolven en verbetert ons begrip van het schokproces."
Deze laatste studie is een belangrijke stap voor astronomen en brengt hen dichter bij het begrip van de mechanica van een supernova. Door hun geheimen te ontsluiten, leren we meer over een proces dat fundamenteel is voor kosmische evolutie, en dat is hoe de dood van sterren het omringende heelal beïnvloedt.
