Астрономы полагали, что все сверхновые типа 1а имеют одинаковую яркость. Это проблема, так как этот вид сверхновых используется в качестве стандартных свечей для определения расстояний по Вселенной. Совсем недавно эти сверхновые были использованы для расчета таинственной силы, называемой темной энергией, которая, кажется, ускоряет расширение Вселенной.
Группа ученых, связанных с исследованием наследия SuperNova (SNLS), обнаружила поразительные доказательства того, что существует более одного типа сверхновых типа Ia, класса взрывающихся звезд, которые до сих пор считались по существу однородными во всех важных аспектах. Сверхновая SNLS-03D3bb более чем в два раза ярче, чем большинство сверхновых типа Ia, но имеет гораздо меньшую кинетическую энергию и, кажется, вдвое массивнее типичного типа Ia.
Ведущие авторы отчета, который появляется в выпуске «Nature» от 21 сентября, включают Эндрю Хауэлла, ранее работавшего в отделе физики Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, а ныне в Университете Торонто, и Питера Ньюджента, астрофизика из вычислительной лаборатории лаборатории Беркли. Отдел. Другими ведущими авторами являются Марк Салливан из Университета Торонто и Ричард Эллис из Калифорнийского технологического института. Эти и многие другие авторы газеты «Природа» являются участниками проекта «Космология сверхновых», базирующегося в лаборатории Беркли.
Поскольку почти все обнаруженные к настоящему времени сверхновые типа Ia не только удивительно ярки, но и удивительно однородны по своей яркости, они считаются лучшими астрономическими «стандартными свечами» для измерения на космологических расстояниях. В 1998 году, после наблюдений за многими отдаленными сверхновыми типа Ia, Космологический проект сверхновой и конкурирующая команда по поиску сверхновых Z-High-Z объявили о своем открытии, что расширение Вселенной ускоряется - открытие, которое вскоре будет приписано неизвестному, называемому темнотой энергия, которая наполняет вселенную и противостоит взаимному гравитационному притяжению материи.
«Сверхновые типа Ia считаются надежными индикаторами расстояния, потому что они имеют стандартное количество топлива - углерода и кислорода в звезде белого карлика - и имеют равномерный триггер», - говорит Нугент. «По прогнозам, они взорвутся, когда масса белого карлика приблизится к массе Чандрасекара, которая примерно в 1,4 раза больше массы нашего Солнца. Тот факт, что SNLS-03D3bb значительно превосходит этот массовый вид, открывает ящик Пандоры ».
Почему большинство сверхновых типа Ia одинаковы
Классификация типов сверхновых основана на их спектрах. Спектры типа Ia не имеют водородных линий, но имеют кремниевые линии поглощения, ключ к химии их взрывов. Считается, что прародители белых карликов сверхновых типа Ia, обычно около двух третей массы Солнца, наращивают дополнительную массу от бинарного спутника до тех пор, пока они не приблизятся к пределу Чандрасекара. Повышение давления приводит к тому, что углерод и кислород в центре звезды сливаются, образуя элементы до никеля в периодической таблице; энергия, высвобождаемая в этом процессе, разлетает звезду на куски в результате титанового термоядерного взрыва.
Некоторые вариации наблюдались в сверхновых типа Ia, но они в основном совместимы. Более яркий тип Ia занимает больше времени, чтобы подняться до максимальной яркости, и больше, чтобы уменьшиться. Когда шкалы времени отдельных кривых блеска растягиваются, чтобы соответствовать норме, а яркость масштабируется в соответствии с растяжением, кривые блеска типа Ia совпадают.
Различия в яркости могут быть связаны с различным соотношением углерода и кислорода в предшественниках, что приводит к различным конечным количествам никеля при взрыве. Радиоактивный распад никеля на кобальт, а затем на железо приводит в действие оптические кривые и кривые ближнего инфракрасного излучения сверхновых типа Ia. Различия в видимой яркости также могут быть продуктами асимметрии; Взрыв, если смотреть под одним углом, может быть немного слабее, чем под другим.
Ни одно из этих возможных различий не является достаточным для объяснения экстремальной яркости сверхновой SNLS-03D3bb, которая слишком яркая для ее «кривой растяжения». Более того, в большинстве более ярких сверхновых вещество, выброшенное в результате взрыва, движется с более высокой скоростью; то есть эти взрывы имеют больше кинетической энергии. Но выброс SNLS-03D3bb был необычайно медленным.
«Энди Хауэлл соединил два и два вместе и понял, что SNLS-03D3bb должен иметь массу супер-чандрасекара», - говорит Ньюджент.
Масса доказательств
Одним из ключей были элементы, необходимые для создания дополнительной яркости. «Вся мощь типа Ia заключается в сжигании углерода и кислорода до более тяжелых элементов, в частности никеля 56», - говорит Нугент. «Тип Ia нормальной яркости составляет около 60 процентов солнечной массы никеля 56, остальные - другие элементы. Но SNLS-03D3bb более чем в два раза ярче, чем обычно; в нем должно быть больше, чем в два раза больше никеля 56. Единственный способ получить это с прародителем, который на 50 процентов массивнее, чем масса Чандрасекара ».
Другим фактором является медлительность выброса SNLS-03D3bb, которая обнаруживается при смещении элементных линий в его спектре. Скорость выброса сверхновой зависит от кинетической энергии, выделяющейся при взрыве, которая представляет собой разницу между энергией, выделяющейся при термоядерном горении, за вычетом энергии связи, которая действует, чтобы удерживать звезду вместе, в зависимости от массы звезды. Чем массивнее звезда, тем медленнее выброс.
Но как углерод-кислородный предшественник мог накапливать массу, превышающую предел Чандрасекара, не взрываясь? Возможно, что очень быстро вращающаяся звезда может быть более массивной. Также возможно, что два белых карлика с общей массой, значительно превышающей предел Чандрасекара, могли столкнуться и взорваться.
Ньюджент говорит: «Одна подсказка была получена от нашего соавтора Марка Салливана, который в данных SNLS уже обнаружил две разные скорости производства сверхновой типа Ia. Они могут быть грубо разбиты на те, которые исходят от молодых звездообразующих галактик и от старых, мертвых галактик. Таким образом, есть признаки того, что может быть две популяции типа Ia с двумя типами предшественников и двумя различными путями к взрыву ».
В старых мертвых галактиках даже самые большие звезды маленькие, объясняет Нюджент. Единственными видами сверхновых типа Ia, которые возможны в этих галактиках, вероятно, будет тип с двойной массой, аккрецирующий массу, с типом массы Чандрасекара. Но молодые звездообразующие галактики производят массивные объекты и могут быть богаты двойными системами белого карлика плюс белого карлика, так называемыми «двойными вырожденными» системами.
«Если модель двойного вырождения верна, такие системы всегда будут приводить к взрывам супер-чандрасекаров в этих очень молодых галактиках», - говорит Ньюджент.
Молодые галактики чаще встречаются в ранней Вселенной и, следовательно, на больших расстояниях. Поскольку отдаленные сверхновые типа Ia имеют решающее значение для измерения эволюции темной энергии, становится необходимым четко идентифицировать сверхновые типа Ia, которые не соответствуют модели массы Чандрасекара. Это легко сделать с нечетным типом Ia типа SNLS-03D3bb, но не все сверхновые-супер-чандрасекары могут быть такими очевидными.
«Один из способов обнаружения сверхновых Чандрасекара - это измерение скорости выброса и сравнение ее с яркостью. Другой способ заключается в получении нескольких спектров по мере изменения кривой блеска. К сожалению, получение спектров является самым большим расходом во всех исследованиях темной энергии », - говорит Ньюджент. «Разработчики этих экспериментов должны будут найти эффективные способы устранения сверхчандрасекхаровых сверхновых из их образцов».
Моделирование вариаций
Частично в надежде на разработку быстрого и надежного способа идентификации кандидатов-сверхновых типа Ia для космологических исследований, Нюджент и соавтор Ричард Эллис первоначально обратились к Салливану и другим членам SNLS с его большой базой данных сверхновых. Работая в Национальном научно-вычислительном центре по энергетическим исследованиям (NERSC), расположенном в лаборатории Беркли, Нюджент разработал алгоритм, который может взять несколько фотометрических точек данных на ранних этапах развития потенциальной сверхновой звезды, идентифицировать их как тип Ia и точно прогнозировать. время максимальной яркости.
Одним из первых типов Ia, изученных таким образом, оказался сам SNLS-03D3bb. «У него было такое высокое отношение сигнал / шум, учитывая его красное смещение, что мы должны были с самого начала подозревать, что это будет необычная сверхновая», - говорит Нугент.
Ньюджент рассматривает открытие первой демонстрируемой сверхновой звезды Чандрасекара как захватывающую перспективу: «Впервые с 1993 года» - когда было разработано соотношение яркости и формы кривой блеска - «теперь у нас есть сильное направление, чтобы искать следующую параметр, который описывает яркость сверхновой типа Ia. Этот поиск может привести нас к лучшему пониманию их прародителей и систематизации их использования в качестве космологических зондов ».
Это понимание является одной из основных целей Консорциума по вычислительной астрофизике, возглавляемого Стэном Вусли из Калифорнийского университета в Санта-Круз и поддерживаемого Управлением науки Министерства энергетики в рамках программы «Научные открытия с помощью современных вычислений» (SciDAC), с Nugent. и Джон Белл из Отдела вычислительных исследований и NERSC среди ведущих партнеров.
«Модель звездного коллапса Чандрасекара 1931 года была элегантной и мощной; это принесло ему Нобелевскую премию », - говорит Нугент. «Но это была простая одномерная модель. Просто добавив вращение, можно превзойти массу Чандрасекара, как он сам признал ».
Нуджент говорит, что благодаря двумерным и трехмерным моделям сверхновых, которые теперь можно использовать с помощью суперкомпьютеров, можно изучать более широкий спектр природных возможностей. «Это цель нашего проекта SciDAC, чтобы получить лучшие модели и лучшие данные наблюдений и объединить их, чтобы вытолкнуть весь клубок воска. В конце этого проекта мы узнаем больше всего о всех видах сверхновых типа Ia ».
«Сверхновая типа Ia из массы белых карликов Супер-Чандрасекара», Д. Эндрю Хауэлл, Марк Салливан, Питер Э. Ньюджент, Ричард С. Эллис, Александр Дж. Конли, Дэмиен Ле Боргне, Рэймонд Г. Карлберг, Жюльен Гай, Дэвид Балам, Стефан Баса, Доминик Фушез, Изобель М. Хук, Эрик Я. Сяо, Джеймс Д. Нил, Рейналд Пейн, Кэтрин М. Перре и Кристофер Дж. Притчетт, появляются в номере журнала «Природа и доступен онлайн для подписчиков.
Berkeley Lab - национальная лаборатория Министерства энергетики США, расположенная в Беркли, Калифорния. Он проводит несекретные научные исследования и управляется Калифорнийским университетом. Посетите наш сайт по адресу http://www.lbl.gov.
Источник: LBL News Release
