Открытие темной энергии, таинственной силы, которая ускоряет расширение Вселенной, было основано на наблюдениях сверхновых типа 1a, и эти звездные взрывы долгое время использовались в качестве «стандартных свечей» для измерения расширения. Новое исследование выявляет источники изменчивости этих сверхновых, и для того, чтобы точно исследовать природу темной энергии и определить, является ли она постоянной или переменной во времени, ученые должны будут найти способ измерения космических расстояний с гораздо большей точностью, чем в прошлое.
«Когда мы начнем следующее поколение космологических экспериментов, мы захотим использовать сверхновые типа 1a в качестве очень чувствительных мер расстояния», - сказал ведущий автор исследования Дэниел Касен, опубликованный в Nature на этой неделе. «Мы знаем, что они не имеют одинаковую яркость, и у нас есть способы исправить это, но нам нужно знать, существуют ли систематические различия, которые могут повлиять на измерения расстояний. Таким образом, это исследование изучило, что вызывает эти различия в яркости ».
Касен и его соавторы - Фриц Репке из Института астрофизики им. Макса Планка в Гархинге, Германия, и Стэн Вусли, профессор астрономии и астрофизики в Калифорнийском университете в Санта-Крузе, использовали суперкомпьютеры для запуска десятков симуляций сверхновых типа 1a. Результаты показывают, что большая часть разнообразия, наблюдаемого в этих сверхновых, обусловлена хаотической природой вовлеченных процессов и возникающей в результате асимметрии взрывов.
По большей части эта изменчивость не приведет к систематическим ошибкам в исследованиях измерений, если исследователи используют большое количество наблюдений и применяют стандартные поправки, сказал Касен. Исследование обнаружило небольшой, но потенциально тревожный эффект, который может быть результатом систематических различий в химическом составе звезд в разные периоды истории Вселенной. Но исследователи могут использовать компьютерные модели для дальнейшей характеристики этого эффекта и разработки поправок для него.
Сверхновая типа 1а возникает, когда белая карликовая звезда приобретает дополнительную массу, откачивая вещество от звезды-компаньона. Когда она достигает критической массы - в 1,4 раза больше массы Солнца, упакованного в объект размером с Землю - тепло и давление в центре звезды вызывают бурную реакцию ядерного синтеза, и белый карлик взрывается. Поскольку начальные условия во всех случаях примерно одинаковы, эти сверхновые имеют тенденцию иметь одинаковую светимость, и их «кривые блеска» (как изменяется светимость с течением времени) являются предсказуемыми.
Некоторые по своей природе ярче, чем другие, но они вспыхивают и исчезают медленнее, и эта корреляция между яркостью и шириной кривой блеска позволяет астрономам применять коррекцию для стандартизации своих наблюдений. Таким образом, астрономы могут измерить кривую блеска сверхновой типа 1а, рассчитать ее собственную яркость, а затем определить, насколько она далеко, так как видимая яркость уменьшается с расстоянием (так же, как свеча кажется тусклее на расстоянии, чем она близко) ,
Компьютерные модели, использованные для моделирования этих сверхновых в новом исследовании, основаны на современном теоретическом понимании того, как и где процесс зажигания начинается внутри белого карлика и где происходит переход от горения с медленным горением к взрывной детонации.
Моделирование показало, что асимметрия взрывов является ключевым фактором, определяющим яркость сверхновых типа 1a. «Причина, по которой эти сверхновые не имеют одинаковую яркость, тесно связана с нарушением сферической симметрии», - сказал Касен.
Доминирующим источником изменчивости является синтез новых элементов во время взрывов, который чувствителен к различиям в геометрии первых искр, которые разжигают термоядерный выброс в кипящем ядре белого карлика. Никель-56 особенно важен, потому что радиоактивный распад этого нестабильного изотопа создает послесвечение, которое астрономы могут наблюдать в течение месяцев или даже лет после взрыва.
«Распад никеля-56 - это то, что приводит в движение кривую блеска. Взрыв закончился в считанные секунды, так что мы видим, как результат того, как никель нагревает мусор и как мусор излучает свет », - сказал Касен.
Касен разработал компьютерный код для моделирования этого процесса радиационного переноса, используя выходные данные смоделированных взрывов для создания визуализаций, которые можно напрямую сравнить с астрономическими наблюдениями сверхновых.
Хорошей новостью является то, что изменчивость, наблюдаемая в компьютерных моделях, согласуется с наблюдениями сверхновых типа 1a. «Самое главное, что ширина и пиковая яркость кривой блеска коррелируют таким образом, чтобы это соответствовало тому, что обнаружили наблюдатели. Таким образом, модели согласуются с наблюдениями, на которых основано открытие темной энергии », - сказал Вузли.
Другим источником изменчивости является то, что эти асимметричные взрывы выглядят по-разному, если смотреть под разными углами. Это может объяснить разницу в яркости до 20 процентов, сказал Касен, но эффект является случайным и создает разброс в измерениях, который можно статистически уменьшить, наблюдая большое количество сверхновых.
Потенциал систематического смещения исходит в основном из-за изменения исходного химического состава звезды белого карлика. Тяжелые элементы синтезируются во время взрывов сверхновых, а осколки этих взрывов включаются в новые звезды. В результате, звезды, образовавшиеся в последнее время, вероятно, содержат больше тяжелых элементов (более высокая «металличность», по терминологии астрономов), чем звезды, образовавшиеся в далеком прошлом.
«Такого рода вещи мы ожидаем со временем эволюционировать, поэтому, если вы посмотрите на далекие звезды, соответствующие более ранним временам в истории Вселенной, они будут иметь более низкую металличность», - сказал Касен. «Когда мы рассчитали влияние этого в наших моделях, мы обнаружили, что полученные ошибки при измерении расстояний будут порядка 2 процентов или менее».
Дальнейшие исследования с использованием компьютерного моделирования позволят исследователям более детально охарактеризовать эффекты таких изменений и ограничат их влияние на будущие эксперименты с темной энергией, что может потребовать уровня точности, который сделает ошибки в 2% неприемлемыми.
Источник: EurekAlert
