Co zapala standardowe świece wszechświata?

Każdego roku na niebie wybucha około 1,000 supernowych typu Ia. Te gwiezdne eksplozje rozjaśniają się, a następnie zanikają w sposób tak powtarzalny, że są używane jako „standardowe świece” – obiekty tak równomiernie jasne, że astronomowie mogą wywnioskować odległość do jednego z nich na podstawie jego wyglądu.

Nasze rozumienie kosmosu opiera się na tych standardowych świecach. Rozważ dwie największe tajemnice kosmologii: Jakie jest tempo rozszerzania się wszechświata? I dlaczego tempo ekspansji przyspiesza? Wysiłki mające na celu zrozumienie obu tych kwestii opierają się głównie na pomiarach odległości wykonanych przy użyciu supernowych typu Ia.

Jednak badacze nie do końca rozumieją, co powoduje te dziwnie jednolite eksplozje – niepewność, która niepokoi teoretyków. Jeśli istnieje wiele sposobów, w jakie mogą się one wydarzyć, drobne niespójności w ich wyglądzie mogą zniekształcać nasze kosmiczne pomiary.

W ciągu ostatniej dekady zebrało się poparcie dla konkretnej historii o tym, co wyzwala supernowe typu Ia – historii, która śledzi każdą eksplozję do pary słabych gwiazd zwanych białymi karłami. Teraz, po raz pierwszy, naukowcom udało się odtworzyć eksplozję typu Ia w komputerowych symulacjach scenariusza podwójnego białego karła, co znacznie wzmocniło teorię. Ale symulacje przyniosły również pewne niespodzianki, ujawniając, ile jeszcze musimy się dowiedzieć o silniku odpowiedzialnym za niektóre z najważniejszych eksplozji we wszechświecie.

Detonacja krasnoluda

Aby obiekt mógł służyć jako standardowa świeca, astronomowie muszą znać jego wrodzoną jasność lub jasność. Mogą porównać to z tym, jak jasny (lub ciemny) obiekt wydaje się na niebie, aby obliczyć jego odległość.

W 1993 roku astronom Mark Phillips kreślone jak jasność supernowych typu Ia zmienia się w czasie. Co najważniejsze, prawie wszystkie supernowe typu Ia podążają tą krzywą, znaną jako zależność Phillipsa. Ta spójność – wraz z ekstremalną jasnością tych eksplozji, które są widoczne miliardy lat świetlnych stąd – czyni je najpotężniejszymi standardowymi świecami, jakie mają astronomowie. Ale jaki jest powód ich spójności?

Podpowiedź pochodzi od mało prawdopodobnego pierwiastka niklu. Kiedy na niebie pojawia się supernowa typu Ia, astronomowie wykrywają wylewanie się radioaktywnego niklu-56. Wiedzą też, że nikiel-56 pochodzi z białych karłów — słabych, wygasłych gwiazd, które posiadają jedynie gęste jądro węgla i tlenu wielkości Ziemi, otoczone warstwą helu. Jednak te białe karły są bezwładne; supernowe to nic innego. Zagadka polega na tym, jak dostać się z jednego stanu do drugiego. „Wciąż nie ma czystego„ Jak to zrobić? ”- powiedział Larsa Bildstena, astrofizyk i dyrektor Kavli Institute for Theoretical Physics w Santa Barbara w Kalifornii, który specjalizuje się w supernowych typu Ia. „Jak to zrobić, żeby eksplodowało?”

Jeszcze około 10 lat temu dominująca teoria głosiła, że ​​biały karzeł wysysał gaz z pobliskiej gwiazdy, dopóki karzeł nie osiągnął masy krytycznej. Jego rdzeń stałby się wtedy gorący i wystarczająco gęsty, aby wywołać niekontrolowaną reakcję jądrową i wybuchnąć jako supernowa.

Następnie w 2011 roku teoria została obalona. SN 2011 fe, najbliższy typ Ia znaleziony od dziesięcioleci, został zauważony na tak wczesnym etapie swojej eksplozji, że astronomowie mieli szansę poszukać gwiazdy towarzyszącej. Żadnego nie widziano.

Badacze przenieśli swoje zainteresowanie na nową teorię, tzw Scenariusz D6 — akronim oznaczający łamaniec językowy „dynamicznie napędzana podwójnie zdegenerowana podwójna detonacja”, ukuty przez Kena Shena, astrofizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Scenariusz D6 zakłada, że ​​biały karzeł łapie w pułapkę innego białego karła i kradnie jego hel, w procesie, który uwalnia tyle ciepła, że ​​wyzwala syntezę jądrową w helowej powłoce pierwszego karła. Topniejący hel wysyła falę uderzeniową w głąb rdzenia krasnoluda. Następnie wybucha.

Ale czy tak się naprawdę dzieje?

Shen wymyślił sposób sprawdzenia: jeśli dwa białe karły obracają się wokół siebie i jeden eksploduje jako supernowa, nic nie pozostanie na drugim. Jak kołyszące się lasso, które nagle zostało wypuszczone, powinno odlecieć jako biały karzeł „nadmiernej prędkości”.

Jeśli teoria D6 jest poprawna, hiperszybkie białe karły powinny być powszechne. Jeśli jest źle, nie powinno ich być.

Okazja do przetestowania scenariusza pojawiła się w 2018 r., kiedy teleskop kosmiczny Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej opublikował nowy, ogromny spis obiektów w Drodze Mlecznej. W dniu publikacji Shen i jego zespół nie spali całą noc, analizując dane. Znaleźli trzech szybko poruszających się białych karłów. Nie wielu i nie żadnych. To było niepokojące.

Symulacja supernowych

Mniej więcej w tym czasie wiele zespołów przystąpiło do pracy nad symulacjami komputerowymi w celu przetestowania hipotezy D6.

Shena i współpracowników opublikowane symulacje w 2021 r., który rozegrał się po detonacji D6. Radioaktywne jądra niklu-56 powinny rozpaść się na dodatkowe cząstki, które następnie spędzą miesiące na rozpadzie i interakcji w regionie wokół supernowej. (Większość naszego ziemskiego manganu, niklu i kobaltu oraz duża część naszego żelaza prawdopodobnie pochodzi z reakcji takich jak ta). fizyki wzdłuż jednej linii rozchodzącej się promieniście na zewnątrz od środka.

Co uderzające, ta „jednowymiarowa” symulacja dała prawidłową krzywą jasności. „Nie było mowy, żebym to przewidział” — zdumiał się Bildsten. „Pokazują, że mogą sprawić, że supernowa spadnie na relację Phillipsa, więc to całkiem ekscytujące”.

Aby sprawdzić, czy w ogóle może dojść do detonacji, dwie inne grupy były zajęte opracowywaniem zaawansowanych symulacji superkomputerowych scenariusza D6 w trzech wymiarach.

Ostatnio jeden z takich zespołów pokazał że scenariusz D6 rzeczywiście może wywołać supernową. Badacze, kierowani przez Ruedigera Pakmora w Instytucie Astrofizyki Maxa Plancka w Garching w Niemczech symulował pierwotnego białego karła z grubą zewnętrzną warstwą helu. Gdy gwiazda wyssała jeszcze więcej helu ze swojego towarzysza, jej zewnętrzna warstwa zapaliła się. Eksplozja szybko rozprzestrzeniła się wokół białego karła, wysyłając falę uderzeniową w głąb jądra, która zdetonowała węgiel i tlen.

Ale symulacje Pakmora również dały dziwny wynik. Fala uderzeniowa przechodząca przez głównego białego karła czasami uderzała w karła towarzyszącego wystarczająco mocno, aby wywołać supernową również w tej gwieździe. Stało się tak w symulacjach, gdy masa towarzysza była mniejsza niż 70% masy naszego Słońca, jak to zwykle bywa w przypadku białych karłów.

Jeśli oba białe karły często przechodzą razem w supernową, może to wyjaśniać, dlaczego obserwuje się mniej białych karłów z hiperszybkością. Ale astronomowie z ostrożnością przyjęli wiadomości o symulacjach podwójnych supernowych Pakmor. „Nie jestem przekonany, że tak się stanie”, powiedział Shen, „ale to naprawdę interesująca możliwość”.

Kolejny zespół, kierowany przez Roberta Fishera na Uniwersytecie Massachusetts w Dartmouth użyli cieńszej warstwy helu niż Pakmor. W swoich symulacjach zaobserwowali, że zapłon helu porusza się wolniej wokół karła, a wynikająca z tego fala uderzeniowa zbiegła się do punktu poza środkiem w stosunku do rdzenia węglowo-tlenowego. W takim razie rdzeń nie udało się zdetonować w supernowej typu Ia.

Obie grupy są zdumione sprzecznymi wynikami. Zespół Pakmora wypróbował cieńszą warstwę helu, taką jak Fisher, ale mimo to odkrył, że ich system stał się supernową.

Jednym z wyzwań dla tych symulacji jest to, że grubość helu i inne warunki to tylko domysły. Inną kwestią jest to, że aby symulować obiekty wielkości gwiazdy, symulacje z grubsza dzielą przestrzeń na fragmenty o wielkości kilometra. Ale skupienie ciepła, które wyzwala detonację, następuje w skali centymetrów. Naukowcy dokonują wyborów, jak uchwycić interakcję między tymi odmiennymi skalami.

Na razie książka pozostaje otwarta na temat pochodzenia supernowych typu Ia. Dopóki rozbieżności nie zostaną rozwiązane, obie drużyny wahają się, czy stwierdzić, że scenariusz D6 jest odpowiedzialny za wszystkie lub nawet większość z nich. Mimo to, zobaczenie, jak jeden eksploduje w superkomputerze, było wielkim krokiem naprzód, nawet jeśli zobaczenie dwóch było niespodzianką.

korekta: 8 lutego 2023 r.
Europejska Agencja Kosmiczna, a nie NASA, obsługuje kosmiczny teleskop Gaia.