Afbeelding tegoed: ESO
Nieuwe gegevens verzameld door de Very Large Telescope (VLT) van de European Southern Observatory lijken erop te wijzen dat supernova's mogelijk niet symmetrisch zijn wanneer ze exploderen - hun helderheid verandert afhankelijk van hoe je ernaar kijkt. Als ze helderder of zwakker zijn, afhankelijk van hoe je ze bekijkt, kan dit fouten veroorzaken in je afstandsberekeningen. Maar het nieuwe onderzoek geeft aan dat ze na verloop van tijd meer symmetrisch worden, dus astronomen hoeven maar even te wachten voordat ze hun berekeningen uitvoeren.
Een internationaal team van astronomen [2] heeft nieuwe en zeer gedetailleerde waarnemingen gedaan van een supernova in een ver sterrenstelsel met de ESO Very Large Telescope (VLT) van de Paranal Observatory (Chili). Ze laten voor het eerst zien dat een bepaald type supernova, veroorzaakt door de explosie van een "witte dwerg", een dichte ster met een massa rond die van de zon, asymmetrisch is tijdens de initiële expansiefasen.
De betekenis van deze waarneming is veel groter dan op het eerste gezicht lijkt. Dit specifieke soort supernova, aangeduid als "Type Ia", speelt een zeer belangrijke rol bij de huidige pogingen om het heelal in kaart te brengen. Lange tijd werd aangenomen dat Type Ia supernovae allemaal dezelfde intrinsieke helderheid hebben, waardoor ze een bijnaam kregen als "standaardkaarsen".
Als dat zo is, weerspiegelen verschillen in de waargenomen helderheid tussen individuele supernova's van dit type eenvoudig hun verschillende afstanden. Dit, en het feit dat de piekhelderheid van deze supernovae die van hun moederstelsel evenaart, heeft het mogelijk gemaakt om afstanden van zelfs zeer afgelegen sterrenstelsels te meten. Enkele recent gevonden schijnverschillen hebben geleid tot de ontdekking van kosmische versnelling.
Deze eerste duidelijke waarneming van explosie-asymmetrie in een Type Ia-supernova betekent echter dat de exacte helderheid van een dergelijk object afhangt van de hoek waaronder het wordt gezien. Aangezien deze hoek onbekend is voor een bepaalde supernova, introduceert dit uiteraard een zekere mate van onzekerheid in dit soort basisafstandsmetingen in het heelal waarmee in de toekomst rekening moet worden gehouden.
Gelukkig laten de VLT-gegevens ook zien dat als je een beetje wacht - wat observatief gezien het mogelijk maakt om dieper in de uitdijende vuurbal te kijken - het dan sferischer wordt. Afstandsbepalingen van supernova's die in dit latere stadium worden uitgevoerd, zullen daarom nauwkeuriger zijn.
Supernova-explosies en kosmische afstanden
Tijdens Type Ia supernova-evenementen exploderen overblijfselen van sterren met een initiële massa tot een paar keer die van de zon (zogenaamde "witte dwergsterren") en laten niets achter dan een snel groeiende wolk van "sterrenstof".
Supernovae van het type Ia lijken blijkbaar vrij veel op elkaar. Dit geeft ze een zeer nuttige rol als "standaardkaarsen" die kunnen worden gebruikt om kosmische afstanden te meten. Hun piekhelderheid evenaart die van hun moederstelsel en kwalificeert ze daarom als de belangrijkste kosmische maatstaven.
Astronomen hebben deze gelukkige omstandigheid uitgebuit om de uitbreidingsgeschiedenis van ons heelal te bestuderen. Ze kwamen onlangs tot de fundamentele conclusie dat het heelal zich in versneld tempo uitbreidt, vgl. ESO PR 21/98, december 1998 (zie ook de Supernova Acceleration Probe webpagina).
De explosie van een witte dwergster
In de meest algemeen aanvaarde modellen van type Ia supernovae draait de pre-explosie witte dwergster om een zonne-achtige metgezel en voltooit om de paar uur een revolutie. Door de nauwe interactie verliest de begeleidende ster voortdurend massa, waarvan een deel wordt opgepikt (in astronomische terminologie: "geaccreteerd") door de witte dwerg.
Een witte dwerg vertegenwoordigt het voorlaatste stadium van een ster van het zonnetype. De kernreactor in zijn kern heeft lang geleden geen brandstof meer gehad en is nu inactief. Maar op een gegeven moment zal het montagegewicht van het ophopende materiaal de druk in de witte dwerg zo sterk hebben verhoogd dat de nucleaire as daar zal ontbranden en in nog zwaardere elementen zal gaan branden. Dit proces wordt al snel ongecontroleerd en de hele ster wordt in een dramatische gebeurtenis in stukken geblazen. Er wordt een extreem hete vuurbal gezien die vaak het melkwegstelsel overtreft.
De vorm van de explosie
Hoewel alle supernovae van type Ia vrij vergelijkbare eigenschappen hebben, is het tot nu toe nooit duidelijk geweest hoe vergelijkbaar een dergelijke gebeurtenis zou lijken voor waarnemers die het vanuit verschillende richtingen bekijken. Alle eieren zien er hetzelfde uit en zijn niet van elkaar te onderscheiden vanuit dezelfde hoek, maar het zijaanzicht (ovaal) is duidelijk anders dan het eindaanzicht (rond).
En inderdaad, als Type Ia supernova-explosies asymmetrisch zouden zijn, zouden ze met verschillende helderheid in verschillende richtingen schijnen. Waarnemingen van verschillende supernova's - gezien onder verschillende hoeken - konden daarom niet direct worden vergeleken.
Als ze deze hoeken niet kennen, zouden de astronomen dan onjuiste afstanden afleiden en zou de precisie van deze fundamentele methode voor het meten van de structuur van het heelal in het geding zijn.
Polarimetrie schiet te hulp
Een simpele berekening laat zien dat zelfs voor de arendsogen van de VLT Interferometer (VLTI), alle supernovae op kosmologische afstanden zullen verschijnen als onopgeloste lichtpunten; ze zijn gewoon te ver. Maar er is nog een andere manier om te bepalen onder welke hoek een bepaalde supernova wordt bekeken: polarimetrie is de naam van de truc!
Polarimetrie werkt als volgt: licht bestaat uit elektromagnetische golven (of fotonen) die in bepaalde richtingen (vlakken) oscilleren. Reflectie of verstrooiing van licht bevordert bepaalde oriëntaties van de elektrische en magnetische velden boven andere. Dit is de reden waarom polariserende zonnebrillen de glinstering van zonlicht dat door een vijver weerkaatst kan filteren.
Wanneer licht door het uitdijende puin van een supernova wordt verstrooid, behoudt het informatie over de oriëntatie van de verstrooiingslagen. Als de supernova sferisch symmetrisch is, zullen alle oriëntaties gelijk aanwezig zijn en gemiddeld worden, dus er zal geen netto polarisatie zijn. Als de gasmantel echter niet rond is, wordt een lichte netto polarisatie op het licht gedrukt.
"Zelfs voor vrij merkbare asymmetrieën is de polarisatie echter erg klein en overschrijdt deze nauwelijks het niveau van één procent", zegt Dietrich Baade, ESO-astronoom en lid van het team dat de waarnemingen heeft uitgevoerd. “Om ze te meten, heb je een instrument nodig dat erg gevoelig en zeer stabiel is. "
Het meten in zwakke en verre lichtbronnen van verschillen op een niveau van minder dan één procent is een aanzienlijke observatie-uitdaging. “De ESO Very Large Telescope (VLT) biedt echter de precisie, de lichtopvangende kracht en de gespecialiseerde instrumenten die nodig zijn voor zo'n veeleisende polarimetrische waarneming”, legt Dietrich Baade uit. “Maar dit project zou niet mogelijk zijn geweest zonder dat de VLT in servicemodus werd gebruikt. Het is inderdaad onmogelijk om te voorspellen wanneer een supernova zal exploderen en we moeten altijd paraat zijn. Alleen in de servicemodus zijn observaties op korte termijn mogelijk. Enkele jaren geleden was het een vooruitziende en moedige beslissing van het directoraat van ESO om zoveel nadruk te leggen op de servicemodus. En het was het team van bekwame en toegewijde ESO-astronomen op Paranal die dit concept tot een praktisch succes maakten ”, voegt hij eraan toe.
De astronomen [1] gebruikten het VLT multi-mode FORS1-instrument om SN 2001el te observeren, een type Ia-supernova die in september 2001 in het sterrenstelsel NGC 1448 werd ontdekt, vgl. PR Photo 24a / 03 op een afstand van 60 miljoen lichtjaar.
Waarnemingen verkregen ongeveer een week voordat deze supernova rond 2 oktober de maximale helderheid bereikte, onthulden polarisatie op niveaus van 0,2-0,3% (PR Photo 24b / 03). Bijna bij maximaal licht en tot twee weken daarna was de polarisatie nog steeds meetbaar. Zes weken na het maximum was de polarisatie gedaald tot onder de detecteerbaarheid.
Het is voor het eerst dat een normale supernova van type Ia zo'n duidelijk bewijs van asymmetrie vertoont.
Dieper in de supernova kijken
Direct na de supernova-explosie beweegt het grootste deel van de uitgestoten materie met snelheden van ongeveer 10.000 km / sec. Tijdens deze uitbreiding worden de buitenste lagen steeds transparanter. Zo kan men met de tijd dieper en dieper in de supernova kijken.
De polarisatie gemeten in SN 2001el levert dus het bewijs dat de buitenste delen van de supernova (die voor het eerst worden gezien) significant asymmetrisch zijn. Later, wanneer de VLT-waarnemingen dieper “doordringen” naar het hart van de supernova, wordt de explosiegeometrie steeds symmetrischer.
Indien gemodelleerd in termen van een afgeplatte sferoïdale vorm, impliceert de gemeten polarisatie in SN 2001el een kleine tot grote asverhouding van ongeveer 0,9 voordat de maximale helderheid wordt bereikt en een sferisch symmetrische geometrie vanaf ongeveer een week na dit maximum en verder.
Kosmologische implicaties
Een van de belangrijkste parameters waarop afstandsschattingen van type Ia zijn gebaseerd, is de optische helderheid op maximaal. De gemeten asfericiteit op dit moment zou een absolute helderheidonzekerheid (spreiding) van ongeveer 10% introduceren als er geen correctie zou worden gedaan voor de kijkhoek (wat niet bekend is).
Terwijl Type Ia supernova's verreweg de beste standaardkaarsen zijn voor het meten van kosmologische afstanden, en dus voor het onderzoeken van de zogenaamde donkere energie, blijft er een kleine meetonzekerheid bestaan.
"De asymmetrie die we hebben gemeten in SN 2001el is groot genoeg om een groot deel van deze intrinsieke onzekerheid te verklaren", zegt Lifan Wang, de leider van het team. “Als alle Type Ia-supernova's zo zijn, zou dat een groot deel van de spreiding in helderheidsmetingen verklaren. Misschien zijn ze nog uniformer dan we dachten. '
Het verminderen van de spreiding in helderheidsmetingen zou natuurlijk ook kunnen worden bereikt door het aantal supernovae dat we waarnemen aanzienlijk te verhogen, maar aangezien deze metingen de grootste en duurste telescopen ter wereld vereisen, zoals de VLT, is dit niet de meest efficiënte methode.
Dus als de helderheid in plaats daarvan een week of twee werd gemeten nadat het maximum was gebruikt, zou de sfericiteit dan zijn hersteld en zouden er geen systematische fouten zijn vanuit de onbekende kijkhoek. Door deze kleine verandering in de waarnemingsprocedure zouden Type Ia supernovae nog betrouwbaardere kosmische maatstaven kunnen worden.
Theoretische implicaties
De huidige detectie van gepolariseerde spectrale kenmerken suggereert sterk dat, om de onderliggende fysica te begrijpen, de theoretische modellering van Type Ia supernovae gebeurtenissen in alle drie dimensies nauwkeuriger zal moeten worden gedaan dan momenteel wordt gedaan. In feite zijn de beschikbare, zeer complexe hydrodynamische berekeningen tot dusver niet in staat geweest de door SN 2001el blootgestelde structuren te reproduceren.
Meer informatie
De in dit persbericht gepresenteerde resultaten zijn beschreven in een onderzoeksartikel in "Astrophysical Journal" ("Spectropolarimetry of SN 2001el in NGC 1448: Asphericity of a Normal Type Ia Supernova") door Lifan Wang en co-auteurs, Volume 591, p. 1110).
Opmerkingen
[1]: Dit is een gecoördineerd ESO / Lawrence Berkeley National Laboratory / Univ. van Texas Press Release. Het LBNL-persbericht is hier beschikbaar.
[2]: Het team bestaat uit Lifan Wang, Dietrich Baade, Peter H? Flich, Alexei Khokhlov, J. Craig Wheeler, Daniel Kasen, Peter E. Nugent, Saul Perlmutter, Claes Fransson en Peter Lundqvist.
Oorspronkelijke bron: ESO-persbericht
