Radioaktive grundstoffer i Cassiopeia A tyder på en neutrino-drevet eksplosion

Stjerner, der eksploderer som supernovaer, er de vigtigste kilder til tunge kemiske grundstoffer i universet. I særdeleshed, radioaktive atomkerner syntetiseres i det varme, inderste områder under eksplosionen og kan dermed tjene som sonder af de uobserverbare fysiske processer, der starter eksplosionen. Ved hjælp af komplicerede computersimuleringer, et team af forskere fra Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) og RIKEN i Japan var i stand til at forklare de nyligt målte rumlige fordelinger af radioaktivt titanium og nikkel i Cassiopeia A, en omkring 340 år gammel gasformig rest af en nærliggende supernova. Computermodellerne giver stærk støtte til den teoretiske idé om, at sådanne stjernedødshændelser kan initieres og drives af neutrinoer, der undslipper fra den neutronstjerne, der blev efterladt ved eksplosionens oprindelse.

Massive stjerner ender deres liv i gigantiske eksplosioner, såkaldte supernovaer. Inden for millioner af år med stabil udvikling, disse stjerner har opbygget en central kerne, der hovedsagelig består af jern. Når kernen når omkring 1,5 gange Solens masse, den kollapser under indflydelse af sin egen tyngdekraft og danner en neutronstjerne. Enorme mængder energi frigives i denne katastrofale begivenhed, mest ved udsendelse af neutrinoer. Disse næsten masseløse elementarpartikler produceres rigeligt i det indre af den nyfødte neutronstjerne, hvor tætheden er højere end i atomkerner og temperaturen kan nå 500 milliarder grader Kelvin.

De fysiske processer, der udløser og driver eksplosionen, har været et uløst puslespil i mere end 50 år. En af de foreslåede teoretiske mekanismer påberåber sig neutrinoerne, fordi de transporterer mere end hundrede gange den energi, der er nødvendig for en typisk supernova. Når neutrinoerne lækker ud fra det varme indre af neutronstjernen, en lille del af dem absorberes i den omgivende gas. Denne opvarmning forårsager voldsomme bevægelser af gassen, svarende til dem i en gryde med kogende vand. Når boblen af ​​gassen bliver tilstrækkelig kraftig, supernovaeksplosionen sætter ind, som om grydens låg var blæst af. De ydre lag af den døende stjerne bliver derefter udstødt i det cirkumstellare rum, og med dem alle de kemiske grundstoffer, som stjernen har samlet ved atomafbrænding i løbet af sin levetid. Men også nye elementer skabes i eksplosionens varme udkast, blandt dem radioaktive arter såsom titanium (44Ti med 22 protoner og 22 neutroner) og nikkel (56Ni med 28 neutroner og protoner hver), som henfalder til stabilt calcium og jern, henholdsvis. Den radioaktive energi, der således frigives, får supernovaen til at lyse klart i mange år.

På grund af den vilde kogning af den neutrino-opvarmede gas, eksplosionsbølgen starter ikke-sfærisk og præger en storskala asymmetri på det udstødte stjernestof og supernovaen som helhed (fig. 1), i overensstemmelse med observationen af ​​klumphed og asymmetri i mange supernovaer og deres gasformige rester. Den indledende asymmetri af eksplosionen har to umiddelbare konsekvenser. På den ene side, neutronstjernen modtager et rekylmomentum modsat retningen af ​​den stærkere eksplosion, hvor supernovagassen uddrives med mere vold. Denne effekt svarer til det spark, en robåd får, når en passager hopper af. På den anden side, produktion af tunge grundstoffer fra silicium til jern, især også af titanium og nikkel, er mere effektiv i retninger, hvor eksplosionen er stærkere, og hvor mere stof opvarmes til høje temperaturer.

"Vi har forudsagt begge effekter for nogle år siden ved vores tredimensionelle (3-D) simuleringer af neutrino-drevne supernovaeksplosioner", siger Annop Wongwathanarat, forsker ved RIKEN og hovedforfatter til den tilsvarende publikation fra 2013, da han arbejdede på MPA i samarbejde med sine medforfattere H.-Thomas Janka og Ewald Müller. "Asymmetrien af ​​det radioaktive ejekta er mere udtalt, hvis neutronstjernesparket er større", tilføjer han. Da de radioaktive atomkerner syntetiseres i de inderste områder af supernovaen, meget tæt på neutronstjernen, deres rumlige fordeling afspejler eksplosionsasymmetrier mest direkte.

Nye observationer af Cassiopeia A (Cas A), den gasformige rest af en supernova, hvis lys nåede Jorden omkring år 1680, kunne nu bekræfte denne teoretiske forudsigelse. På grund af sin unge alder og relative nærhed i en afstand på kun 11, 000 lysår, Cas A giver to store fordele ved målinger. Først, det radioaktive henfald af 44Ti er stadig en effektiv energikilde og frigiver højenergi røntgenstråling, derfor kan tilstedeværelsen af ​​denne atomkerne kortlægges i 3D med høj præcision. Sekund, neutronstjernens hastighed kendes både med dens størrelse og dens retning på himlens plan. Da neutronstjernen forplanter sig med en anslået hastighed på mindst 350 kilometer i sekundet, asymmetrien i den rumlige fordeling af de radioaktive grundstoffer forventes at være meget udtalt. Netop dette ses i observationerne (fig. 2a).

Mens den kompakte rest suser mod den nedre halvkugle, de største og lyseste klumper med det meste af 44Ti findes i den øverste halvdel af gasresten. Computersimuleringen, set fra en passende valgt retning, udviser en slående lighed med observationsbilledet (fig. 2b). Dette kan også ses, når man sammenligner 3-D-visualiseringen af ​​simuleringerne i fig. 3 med 3-D-billeddannelsen af ​​Cas A (www.mpa-garching.mpg.de/452369/news20170621ni,
www.mpa-garching.mpg.de/452353/news20170621ti).

Men ikke kun de rumlige fordelinger af titanium og jern ligner dem i Cas A. Også de samlede mængder af disse grundstoffer, deres ekspansionshastigheder, og neutronstjernens hastighed er i forbløffende overensstemmelse med Cas A's. "Denne evne til at gengive observationernes grundlæggende egenskaber bekræfter på imponerende vis, at Cas A kan være resten af ​​en neutrino-drevet supernova med dens voldsomme gasbevægelser omkring den begyndende neutronstjerne", slutter H.-Thomas Janka.

Men mere arbejde er nødvendigt for endelig at bevise, at eksplosioner af massive stjerner faktisk er drevet af energitilførsel fra neutrinoer. "Cas A er et objekt af så stor interesse og betydning, at vi også skal forstå de rumlige fordelinger af andre kemiske arter såsom silicium, argon, neon, og ilt", bemærker Ewald Müller, peger på den smukke multi-komponent morfologi af Cas A afsløret ved 3-D billeddannelse. Bare at have ét eksempel er heller ikke nok til at lave en fuldt overbevisende sag. Derfor er holdet gået med i et større samarbejde for at teste de teoretiske forudsigelser for neutrino-drevne eksplosioner ved en tæt analyse af en større prøve af unge supernova-rester. Trin for trin håber forskerne således at indsamle beviser for at kunne løse det langvarige problem med supernovamekanismen.