Vad tänder universums standardljus?

Varje år bryter runt 1,000 XNUMX supernovor av typ Ia ut på himlen. Dessa stjärnexplosioner ljusnar upp och försvinner sedan i ett mönster som är så repeterbart att de används som "standardljus" - objekt som är så jämnt ljusa att astronomer kan härleda avståndet till en av dem genom dess utseende.

Vår förståelse av kosmos är baserad på dessa standardljus. Tänk på två av de största mysterierna inom kosmologi: Vad är universums expansionshastighet? Och varför ökar expansionshastigheten? Ansträngningar att förstå båda dessa problem förlitar sig kritiskt på avståndsmätningar gjorda med typ Ia supernovor.

Ändå förstår forskarna inte helt vad som utlöser dessa märkligt enhetliga explosioner - en osäkerhet som oroar teoretiker. Om det finns flera sätt att de kan hända, kan små inkonsekvenser i hur de ser ut korrumpera våra kosmiska mätningar.

Under det senaste decenniet har stöd samlats på en viss berättelse om vad som sätter igång supernovor av typ Ia - en berättelse som spårar varje explosion till ett par mörka stjärnor som kallas vita dvärgar. Nu, för första gången, har forskare framgångsrikt återskapat en typ Ia-explosion i datorsimuleringar av scenariot med dubbel vit dvärg, vilket ger teorin ett kritiskt uppsving. Men simuleringarna gav också några överraskningar som avslöjar hur mycket mer vi har att lära oss om motorn bakom några av de viktigaste explosionerna i universum.

Att detonera en dvärg

För att ett föremål ska fungera som ett standardljus måste astronomer känna till dess inneboende ljusstyrka eller ljusstyrka. De kan jämföra det med hur ljust (eller svagt) objektet ser ut på himlen för att räkna ut dess avstånd.

1993, astronomen Mark Phillips plottade hur ljusstyrkan hos supernovor av typ Ia förändras över tiden. Avgörande är att nästan alla supernovor av typ Ia följer denna kurva, känd som Phillips-relationen. Denna konsistens – tillsammans med den extrema ljusstyrkan hos dessa explosioner, som är synliga miljarder ljusår bort – gör dem till de mest kraftfulla standardljusen som astronomer har. Men vad är anledningen till deras konsistens?

En ledtråd kommer från det osannolika grundämnet nickel. När en supernova av typ Ia dyker upp på himlen upptäcker astronomer att radioaktivt nickel-56 strömmar ut. Och de vet att nickel-56 har sitt ursprung i vita dvärgar - dunkla, utsöndrade stjärnor som bara behåller en tät, jordliknande kärna av kol och syre, omgiven av ett lager av helium. Ändå är dessa vita dvärgar inerta; supernovor är allt annat än. Pusslet är hur man tar sig från ett tillstånd till ett annat. "Det finns fortfarande inte ett rent 'Hur gör du det här?'" sa Lars Bildsten, en astrofysiker och chef för Kavli Institute for Theoretical Physics i Santa Barbara, Kalifornien, som är specialiserad på supernovor av typ Ia. "Hur får du det att explodera?"

Tills för cirka 10 år sedan ansåg den rådande teorin att en vit dvärg sugde gas från en närliggande stjärna tills dvärgen nådde en kritisk massa. Dess kärna skulle då bli tillräckligt varm och tät för att utlösa en skenande kärnreaktion och detonera till en supernova.

Sedan 2011 störtades teorin. SN 2011fe, den närmaste typ Ia som hittats på årtionden, upptäcktes så tidigt i sin explosion att astronomer hade chansen att leta efter en följeslagare. Ingen sågs.

Forskare flyttade sitt intresse till en ny teori, den så kallade D6 scenario — en akronym som står för tungvridaren "dynamiskt driven dubbeldegenererad dubbeldetonation", myntad av Ken Shen, en astrofysiker vid University of California, Berkeley. D6-scenariot föreslår att en vit dvärg fångar en annan vit dvärg och stjäl dess helium, en process som frigör så mycket värme att den utlöser kärnfusion i den första dvärgens heliumskal. Det smältande heliumet skickar en stötvåg djupt in i dvärgens kärna. Den detonerar sedan.

Men är det detta som verkligen händer?

Shen tänkte på ett sätt att kontrollera: Om det finns två vita dvärgar som roterar runt varandra, och den ena exploderar som en supernova, kommer ingenting att finnas kvar att hålla fast vid den andra. Som ett svängande lasso som plötsligt släpps, borde det flyga iväg som en vit dvärg med "hyperhastighet".

Om D6-teorin är korrekt bör vita dvärgar med hyperhastighet vara vanliga. Om det är fel ska det inte finnas någon.

Möjligheten att testa scenariot kom 2018, när Europeiska rymdorganisationens Gaia rymdteleskop släppte en massiv ny folkräkning av objekt i Vintergatan. På dagen för släppet satt Shen och hans team uppe hela natten och analyserade data. De hittade tre snabbrörliga vita dvärgar. Inte många och inte några. Det här var oroande.

Simulerar supernovor

Runt den här tiden började flera team arbeta med datorsimuleringar för att testa D6-hypotesen.

Shen och kollegor publicerade simuleringar 2021 som utspelade sig efter en D6-detonation. De radioaktiva nickel-56 kärnorna bör sönderfalla till ytterligare partiklar, som sedan kommer att tillbringa månader med att sönderfalla och interagera i regionen runt supernovan. (Det mesta av vårt jordiska mangan, nickel och kobolt, och en stor del av vårt järn, har förmodligen sitt ursprung i reaktioner som dessa.) För att fånga tumultet förenklade Shen och kompani matematiken: De antog att supernovan är perfekt sfärisk och simulerade sedan. fysiken längs en enda linje som strålar utåt från centrum.

Påfallande nog gav denna "endimensionella" simulering den korrekta ljusstyrkekurvan. "Det fanns inget sätt att jag skulle ha sett det komma", förundrade Bildsten. "De visar att de kan få en supernova att falla på Phillips-relationen, så det är ganska spännande."

För att verifiera att en detonation kan ske i första hand, var dock två andra grupper upptagna med att utveckla sofistikerade superdatorsimuleringar av D6-scenariot i tre dimensioner.

Ett av dessa lag nyligen visade att D6-scenariot verkligen kan utlösa en supernova. Forskarna, med ledning av Ruediger Pakmor vid Max Planck Institute for Astrophysics i Garching, Tyskland, simulerade en primär vit dvärg med ett tjockt heliumskikt. När stjärnan sög ännu mer helium från sin följeslagare antändes dess yttre lager. Explosionen färdades snabbt runt den vita dvärgen och skickade en stötvåg djupt inne i kärnan som detonerade kolet och syret.

Men Pakmors simuleringar gav också ett märkligt resultat. Stötvågen som färdades genom den primära vita dvärgen slog ibland in i följeslagsdvärgen tillräckligt hårt för att utlösa en supernova i den stjärnan också. Detta hände i simuleringarna när följeslagarens massa var mindre än 70 % av vår sols massa, vilket vanligtvis är fallet med vita dvärgar.

Om båda vita dvärgarna ofta går supernova tillsammans, kan detta förklara varför färre vita dvärgar med hyperhastighet ses. Men astronomer har mött nyheten om Pakmors dubbelsupernovasimuleringar med försiktighet. "Jag är inte övertygad om att det händer," sa Shen, "men det är en riktigt intressant möjlighet."

Ett annat lag, ledt av Robert Fisher vid University of Massachusetts, Dartmouth, använde ett tunnare lager helium än vad Pakmor gjorde. I sina simuleringar såg de heliumtändningen färdas långsammare runt dvärgen, och den resulterande stötvågen konvergerade till en punkt utanför centrum i förhållande till kol-syrekärnan. Kärnan då misslyckades med att detonera i en supernova av typ Ia.

Båda grupperna är förbryllade över de motsägelsefulla resultaten. Pakmors team försökte ett tunnare heliumlager som Fishers men fann ändå att deras system blev supernova.

En utmaning för dessa simuleringar är att heliumtjockleken och andra förhållanden bara är gissningar. En annan fråga är att simuleringarna, för att simulera objekt i stjärnstorlek, grovt delar upp rymden i kilometerstora bitar. Men fokuseringen av värme som utlöser en detonation sker på skalan av centimeter. Forskarna gör val om hur de ska fånga interaktionen mellan dessa olika skalor.

Än så länge är boken öppen om typ Ia supernova ursprung. Tills avvikelserna kan lösas är båda lagen tveksamma till att dra slutsatsen att D6-scenariot är ansvarigt för alla eller till och med de flesta av dem. Ändå var det ett ljust steg framåt att äntligen se en explodera i en superdator, även om det var en överraskning att se två.

Rättelse: Februari 8, 2023
Europeiska rymdorganisationen, inte NASA, driver rymdteleskopet Gaia.