Früher glaubten Astronomen, dass alle Supernovae vom Typ 1a im Wesentlichen die gleiche Helligkeit hatten. Dies ist ein Problem, da diese Art von Supernovae als Standardkerzen verwendet werden, um Entfernungen über das Universum zu bestimmen. In jüngster Zeit wurden diese Supernovae verwendet, um die mysteriöse Kraft namens Dunkle Energie zu berechnen, die die Expansion des Universums zu beschleunigen scheint.
Eine Gruppe von Wissenschaftlern, die an der SuperNova Legacy Survey (SNLS) beteiligt sind, hat erstaunliche Beweise dafür gefunden, dass es mehr als eine Art von Supernova vom Typ Ia gibt, eine Klasse explodierender Sterne, die bisher in allen wichtigen Punkten als im Wesentlichen einheitlich angesehen wurde. Supernova SNLS-03D3bb ist mehr als doppelt so hell wie die meisten Supernovae vom Typ Ia, hat jedoch viel weniger kinetische Energie und scheint wieder halb so massiv zu sein wie ein typischer Typ Ia.
Zu den Hauptautoren des Berichts, der in der Nature-Ausgabe vom 21. September erscheint, gehören Andrew Howell, ehemals Physiker am Lawrence Berkeley National Laboratory und jetzt an der University of Toronto, und Peter Nugent, Astrophysiker bei Berkeley Lab's Computational Research Teilung. Weitere Hauptautoren sind Mark Sullivan von der University of Toronto und Richard Ellis vom California Institute of Technology. Diese und viele andere Autoren des Nature-Papiers sind Mitglieder des Supernova Cosmology Project im Berkeley Lab.
Da fast alle bisher gefundenen Supernovae vom Typ Ia nicht nur bemerkenswert hell, sondern auch bemerkenswert gleichmäßig hell sind, gelten sie als die besten astronomischen „Standardkerzen“ zur Messung über kosmologische Entfernungen. Nach Beobachtungen vieler entfernter Supernovae vom Typ Ia gaben das Supernova Cosmology Project und das konkurrierende High-Z Supernova Search Team 1998 ihre Entdeckung bekannt, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt - ein Befund, der bald dem Unbekannten zugeschrieben werden würde, das als dunkel bezeichnet wird Energie, die das Universum füllt und der gegenseitigen Anziehungskraft der Materie entgegenwirkt.
„Supernovae vom Typ Ia gelten als zuverlässige Entfernungsindikatoren, da sie eine Standardmenge an Kraftstoff enthalten - Kohlenstoff und Sauerstoff in einem weißen Zwergstern - und einen einheitlichen Auslöser haben“, sagt Nugent. „Es wird vorausgesagt, dass sie explodieren, wenn sich die Masse des Weißen Zwergs der Chandrasekhar-Masse nähert, die etwa das 1,4-fache der Masse unserer Sonne beträgt. Die Tatsache, dass SNLS-03D3bb weit über dieser Masse liegt, öffnet die Büchse einer Pandora. "
Warum die meisten Supernovae vom Typ Ia gleich sind
Die Klassifizierung von Supernova-Typen basiert auf ihren Spektren. Typ Ia-Spektren haben keine Wasserstofflinien, aber Siliziumabsorptionslinien, ein Hinweis auf die Chemie ihrer Explosionen. Es wird angenommen, dass die Vorläufer der weißen Zwerge von Supernovae vom Typ Ia, typischerweise etwa zwei Drittel der Masse der Sonne, zusätzliche Masse von einem binären Begleiter anreichern, bis sie sich der Chandrasekhar-Grenze nähern. Durch zunehmenden Druck verschmelzen Kohlenstoff und Sauerstoff in der Mitte des Sterns und es entstehen die Elemente bis zu Nickel im Periodensystem. Die dabei freigesetzte Energie bläst den Stern bei einer thermonuklearen Titanexplosion in Stücke.
Bei Supernovae vom Typ Ia wurden einige Variationen beobachtet, die jedoch größtenteils miteinander vereinbar sind. Bei helleren Typ Ia dauert es länger, bis die maximale Helligkeit erreicht ist, und länger, bis sie abnehmen. Wenn die Zeitskalen der einzelnen Lichtkurven entsprechend der Norm gestreckt werden und die Helligkeit entsprechend der Dehnung skaliert wird, stimmen die Lichtkurven vom Typ Ia überein.
Helligkeitsunterschiede könnten auf unterschiedliche Verhältnisse von Kohlenstoff und Sauerstoff in den Vorläufern zurückzuführen sein, was zu unterschiedlichen Endmengen an Nickel bei der Explosion führt. Der radioaktive Zerfall von Nickel zu Kobalt und dann Eisen treibt die optischen und nahinfraroten Lichtkurven der Supernovae vom Typ Ia an. Unterschiede in der scheinbaren Helligkeit können auch Produkte der Asymmetrie sein; Eine Explosion aus einem Winkel kann etwas schwächer sein als aus einem anderen.
Keiner dieser möglichen Unterschiede reicht aus, um die extreme Helligkeit von Supernova SNLS-03D3bb zu erklären - die viel zu hell für ihre Lichtkurven-Dehnung ist. Darüber hinaus bewegt sich in den helleren Supernovae die aus der Explosion ausgestoßene Materie mit einer höheren Geschwindigkeit; Das heißt, diese Explosionen haben mehr kinetische Energie. Das Auswerfen von SNLS-03D3bb war jedoch ungewöhnlich langsam.
"Andy Howell fügte zwei und zwei zusammen und erkannte, dass SNLS-03D3bb eine Super-Chandrasekhar-Masse haben muss", sagt Nugent.
Die Masse der Beweise
Ein Hinweis waren die Elemente, die zur Erzeugung der zusätzlichen Helligkeit benötigt wurden. „Die gesamte Leistung eines Typs Ia stammt aus der Verbrennung von Kohlenstoff und Sauerstoff zu schwereren Elementen, insbesondere Nickel 56“, sagt Nugent. „Ein Typ Ia mit normaler Helligkeit macht etwa 60 Prozent einer Sonnenmasse aus Nickel 56 aus, der Rest sind andere Elemente. SNLS-03D3bb ist jedoch mehr als doppelt so hell wie normal. Es muss mehr als doppelt so viel Nickel 56 enthalten. Der einzige Weg, dies zu erreichen, ist ein Vorläufer, der 50 Prozent massereicher ist als die Chandrasekhar-Masse. "
Der andere Faktor ist die Langsamkeit des Auswurfs von SNLS-03D3bb, die sich in der Verschiebung der Elementarlinien in seinem Spektrum zeigt. Die Geschwindigkeit der Supernova-Ejekta hängt von der bei der Explosion freigesetzten kinetischen Energie ab. Dies ist die Differenz zwischen der beim thermonuklearen Verbrennen freigesetzten Energie abzüglich der Bindungsenergie, die den Stern zusammenhält, eine Funktion der Sternmasse. Je massereicher der Stern, desto langsamer das Auswerfen.
Aber wie könnte ein Kohlenstoff-Sauerstoff-Vorläufer jemals eine Masse ansammeln, die größer als die Chandrasekhar-Grenze ist, ohne zu explodieren? Es ist möglich, dass ein sich sehr schnell drehender Stern massereicher ist. Es ist auch möglich, dass zwei weiße Zwerge mit einer kombinierten Masse weit über der Chandrasekhar-Grenze kollidieren und explodieren.
Nugent sagt: „Ein Hinweis kam von unserem Co-Autor Mark Sullivan, der in den SNLS-Daten bereits zwei unterschiedliche Raten für die Produktion von Supernova vom Typ Ia gefunden hatte. Sie können grob in solche aus jungen sternbildenden Galaxien und solche aus alten, toten Galaxien zerlegt werden. Es gibt also Hinweise darauf, dass es möglicherweise zwei Populationen von Typ Ia mit zwei Arten von Vorläufern und zwei unterschiedlichen Explosionswegen gibt. "
In alten, toten Galaxien sind selbst die größten Sterne klein, erklärt Nugent. Die einzigen Arten von Supernovae vom Typ Ia, die in diesen Galaxien möglich sind, sind wahrscheinlich das massenakkretierende Chandrasekhar-Massentyp-Binärsystem. Junge sternbildende Galaxien produzieren jedoch massive Objekte und könnten reich an Weißzwerg- und Weißzwerg-Binärsystemen sein, sogenannten „doppelt entarteten“ Systemen.
"Wenn das doppelt entartete Modell richtig ist, werden solche Systeme in diesen sehr jungen Galaxien immer Super-Chandrasekhar-Explosionen erzeugen", sagt Nugent.
Junge Galaxien sind eher im frühen Universum und damit in größeren Entfernungen zu finden. Da entfernte Supernovae vom Typ Ia für die Messung der Entwicklung der Dunklen Energie von entscheidender Bedeutung sind, ist es wichtig, Supernovae vom Typ Ia, die nicht zum Chandrasekhar-Massenmodell passen, eindeutig zu identifizieren. Dies ist leicht mit einem Typ Ia zu tun, der so seltsam ist wie SNLS-03D3bb, aber möglicherweise sind nicht alle Super-Chandrasekhar-Supernovae so offensichtlich.
„Eine Möglichkeit, Super-Chandrasekhar-Supernovae zu erkennen, besteht darin, die Auswurfgeschwindigkeit zu messen und mit der Helligkeit zu vergleichen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, mehrere Spektren aufzunehmen, während sich die Lichtkurve entwickelt. Leider ist die Aufnahme von Spektren der größte Aufwand bei der Durchführung von Studien zur Dunklen Energie “, sagt Nugent. "Die Designer dieser Experimente müssen effiziente Wege finden, um Super-Chandrasekhar-Supernovae aus ihren Proben zu entfernen."
Modellierung der Variationen
Zum Teil in der Hoffnung, eine schnelle und zuverlässige Methode zur Identifizierung von Supernovae-Kandidaten vom Typ Ia für die kosmologische Forschung zu entwickeln, wandten sich Nugent und Co-Autor Richard Ellis zunächst an Sullivan und andere Mitglieder der SNLS mit ihrer großen Datenbank an Supernovae. Nugent arbeitete am National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) im Berkeley Lab und entwickelte einen Algorithmus, mit dem eine Handvoll photometrischer Datenpunkte früh in der Entwicklung einer Supernova-Kandidatin erfasst, als Typ Ia positiv identifiziert und genau vorhergesagt werden können seine Zeit maximaler Helligkeit.
Einer der ersten Typ Ia, der auf diese Weise untersucht wurde, stellte sich als SNLS-03D3bb selbst heraus. "Aufgrund seiner Rotverschiebung hatte es ein so hohes Signal-Rausch-Verhältnis, dass wir von Anfang an hätten vermuten müssen, dass es sich um eine ungewöhnliche Supernova handelt", sagt Nugent.
Nugent betrachtet die Entdeckung der ersten nachweisbaren Super-Chandrasekhar-Supernova als eine aufregende Perspektive: „Zum ersten Mal seit 1993“ - als die Beziehung zwischen Helligkeit und Lichtkurvenform entwickelt wurde - „haben wir jetzt eine starke Richtung, um nach der nächsten zu suchen Parameter, der die Helligkeit einer Supernova vom Typ Ia beschreibt. Diese Suche könnte uns zu einem viel besseren Verständnis ihrer Vorfahren und der Systematik ihrer Verwendung als kosmologische Sonden führen. “
Dieses Verständnis ist eines der Hauptziele des Computational Astrophysics Consortium, das von Stan Woosley von der University of California in Santa Cruz geleitet und vom Wissenschaftsamt des Energieministeriums im Rahmen des SciDAC-Programms (Scientific Discovery Through Advanced Computing) mit Nugent unterstützt wird und John Bell von der Computation Research Division und NERSC unter den führenden Partnern.
"Chandrasekhars Modell des Sternenkollapses von 1931 war elegant und kraftvoll. es hat ihm den Nobelpreis eingebracht “, sagt Nugent. „Aber es war ein einfaches eindimensionales Modell. Nur durch Hinzufügen von Rotation kann man die Chandrasekhar-Masse überschreiten, wie er selbst erkannt hat. “
Mit 2-D- und 3-D-Modellen der Supernovae, die jetzt mit Supercomputern möglich sind, ist es laut Nugent möglich, ein breiteres Spektrum der Möglichkeiten der Natur zu untersuchen. „Das ist das Ziel unseres SciDAC-Projekts, die besten Modelle und Beobachtungsdaten zu erhalten und sie zu kombinieren, um den gesamten Wachskugel zu schieben. Am Ende dieses Projekts werden wir so viel wie möglich über alle Arten von Typ Ia-Supernovae wissen. "
"Eine Typ-Ia-Supernova aus einem Super-Chandrasekhar-Massen-Weißzwergstern" von 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 und Christopher J. Pritchett erscheinen in der Ausgabe von Nature and vom 21. September ist online für Abonnenten verfügbar.
Berkeley Lab ist ein nationales Labor des US-Energieministeriums in Berkeley, Kalifornien. Es führt nicht klassifizierte wissenschaftliche Forschung durch und wird von der University of California verwaltet. Besuchen Sie unsere Website unter http://www.lbl.gov.
Originalquelle: LBL-Pressemitteilung
