Kepler hinsides planeter – finder eksploderende stjerner

Astronom Ed Shaya var på sit kontor og kiggede på data fra NASAs Kepler-rumteleskop i 2012, da han bemærkede noget usædvanligt:​​Lyset fra en galakse var hurtigt blevet lysere med 10 procent. Det pludselige lysbump fik Shaya øjeblikkeligt ophidset, men også nervøs. Effekten kunne forklares ved den massive eksplosion af en stjerne – en supernova! – eller, mere bekymrende, en computerfejl.

"Jeg husker bare den dag, ved ikke om jeg skal tro det eller ej, " husker han. I stedet for at fejre, han tænkte, "Har jeg lavet en fejl? Gør jeg det helt forkert?"

Stjerneeksplosioner skaber og distribuerer materialer, der udgør den verden, vi lever i, og har også fingerpeg om, hvor hurtigt universet udvider sig. Ved at forstå supernovaer, videnskabsmænd kan låse op for mysterier, der er nøglen til, hvad vi er lavet af og vores univers skæbne. Men for at få det fulde billede, videnskabsmænd skal observere supernovaer fra en række forskellige perspektiver, især i de første øjeblikke af eksplosionen. Det er virkelig svært - der er ingen at sige, hvornår eller hvor en supernova kan ske næste gang.

En lille gruppe astronomer, inklusive Shaya, indså, at Kepler kunne tilbyde en ny teknik til supernova-jagt. Lanceret i 2009, Kepler er bedst kendt for at have opdaget tusindvis af exoplaneter. Men som et teleskop, der stirrer på enkelte områder i rummet i lange perioder, den kan fange en stor skare af andre kosmiske skatte - især den slags, der ændrer sig hurtigt eller springer ind og ud af syne, som supernovaer.

"Kepler åbnede en ny måde at se på himlen på, " sagde Jessie Dotson, Keplers projektforsker, baseret på NASAs Ames Research Center i Californiens Silicon Valley. "Det er designet til at gøre én ting rigtig godt, som skulle finde planeter omkring andre stjerner. For at gøre det, det skulle levere høj præcision, løbende data, som har været værdifuldt for andre områder af astronomi."

Oprindeligt, Shaya og kolleger ledte efter aktive galaktiske kerner i deres Kepler-data. En aktiv galaktisk kerne er et ekstremt lyst område i centrum af en galakse, hvor et glubende sort hul er omgivet af en skive af varm gas. De havde tænkt på at lede efter supernovaer, men da supernovaer er så sjældne begivenheder, de nævnte det ikke i deres forslag. "Det var for usikkert, " sagde Shaya.

Usikker på om supernovasignalet han fandt var ægte, Shaya og hans University of Maryland-kollega Robert Olling brugte måneder på at udvikle software til bedre at kalibrere Kepler-data, under hensyntagen til variationer i temperatur og instrumentets pegning. Stadig, supernovasignalet vedblev. Faktisk, de fandt yderligere fem supernovaer i deres Kepler-prøve på mere end 400 galakser. Da Olling viste et af signalerne til Armin Rest, som nu er astronom ved Space Telescope Science Institute i Baltlimore, Restens kæbe faldt. "Jeg begyndte at savle, " sagde han. Døren havde åbnet sig til en ny måde at spore og forstå stjerneeksplosioner på.

I dag, disse astronomer er en del af Kepler Extra-Galactic Survey, et samarbejde mellem syv videnskabsmænd i USA, Australien og Chile leder efter supernovaer og aktive galaktiske kerner for at udforske fysikken i vores univers. Til dato, de har fundet mere end 20 supernovaer ved hjælp af data fra Kepler-rumfartøjet, herunder en eksotisk type rapporteret af Rest i en ny undersøgelse i Natur astronomi . Mange flere bliver i øjeblikket registreret af Keplers igangværende observationer.

"Vi har nogle af de bedst forståede supernovaer, " sagde Brad Tucker, astronom ved Mt. Stromlo Observatory ved Australian National University, der er en del af Kepler Extra-Galactic Survey.

Hvorfor bekymrer vi os om supernovaer?

Et mangeårigt mysterium inden for astrofysik er, hvordan og hvorfor stjerner eksploderer på forskellige måder. En slags supernova sker, når en tæt, død stjerne kaldet en hvid dværg eksploderer. En anden slags sker, når en enkelt gigantisk stjerne nærmer sig slutningen af ​​sit liv, og dens kerne kan ikke længere modstå de gravitationskræfter, der virker på den. Detaljerne i disse generelle kategorier er stadig under udarbejdelse.

Den første slags, kaldet "type Ia" (udtales som "one a") er speciel, fordi den iboende lysstyrke af hver af disse supernovaer er næsten den samme. Astronomer har brugt denne standardegenskab til at måle udvidelsen af ​​universet og fandt ud af, at de fjernere supernovaer var mindre lyse end forventet. Dette indikerede, at de var længere væk, end forskerne havde troet, da lyset var blevet strakt ud over udvidende rum. Dette beviste, at universet udvider sig med en accelererende hastighed og gav disse forskere Nobelprisen i 2011. Den førende teori er, at en mystisk kraft kaldet "mørk energi" skubber alt i universet fra alt andet, hurtigere og hurtigere.

Men efterhånden som astronomer finder flere og flere eksempler på type Ia-eksplosioner, inklusive med Kepler, de indser, at ikke alle er skabt lige. Mens nogle af disse supernovaer sker, når en hvid dværg berøver sin ledsager for meget stof, andre er resultatet af to hvide dværge, der smelter sammen. Faktisk, de hvide dværg-fusioner kan være mere almindelige. Mere supernovaforskning med Kepler vil hjælpe astronomer på en søgen efter at finde ud af, om forskellige type Ia-mekanismer resulterer i, at nogle supernovaer er lysere end andre - hvilket ville kaste en skruenøgle ind i, hvordan de bruges til at måle universets udvidelse.

"For at få en bedre idé om at begrænse mørk energi, vi er nødt til bedre at forstå, hvordan disse type Ia supernovaer er dannet, " sagde resten.

En anden slags supernova, sorten "kernekollaps", sker, når en massiv stjerne ender sit liv i en eksplosion. Dette inkluderer "Type II" supernovaer. Disse supernovaer har en karakteristisk chokbølge kaldet "chok breakout, " som blev fanget for første gang i optisk lys af Kepler. Kepler Extra-Galactic Survey-teamet, ledet af teammedlem Peter Garnavich, en astrofysikprofessor ved University of Notre Dame i Indiana, opdagede dette chokudbrud i 2011 Kepler-data fra en supernova kaldet KSN 2011d, en eksplosion fra en stjerne, der er cirka 500 gange så stor som vores sol. Overraskende nok, holdet fandt ikke et chokudbrud i en mindre type II supernova kaldet KSN 2011a, hvis stjerne var 300 gange Solens størrelse - men i stedet fandt supernovaen beliggende i et lag af støv, tyder på, at der er mangfoldighed i type II stjerneeksplosioner, også.

Kepler-data har afsløret andre mysterier om supernovaer. Den nye undersøgelse ledet af Rest in Nature Astronomy beskriver en supernova fra data fanget af Keplers udvidede mission, kaldet K2, der når sin højeste lysstyrke på kun lidt over to dage, omkring 10 gange mindre end andre tager. Det er det mest ekstreme kendte eksempel på en "hurtigt udviklende lysende transient" (FELT) supernova. FELT er omtrent lige så lyse som type Ia-sorten, men stiger på mindre end 10 dage og falmer efter omkring 30. Det er muligt, at stjernen spyede en tæt skal af gas ud omkring et år før eksplosionen, og da supernovaen skete, udstødt materiale ramte skallen. Den energi, der blev frigivet i den kollision, ville forklare den hurtige lysere.

Hvorfor Kepler?

Teleskoper på Jorden tilbyder en masse information om eksploderende stjerner, men kun over korte perioder – og kun når Solen går ned og himlen er klar – så det er svært at dokumentere "før" og "efter" virkningerne af disse eksplosioner. Kepler, på den anden side, tilbyder astronomer den sjældne mulighed for at overvåge enkelte pletter af himlen kontinuerligt i flere måneder, som en bils instrumentbrætkamera, der altid optager. Faktisk, den primære Kepler-mission, som løb fra 2009 til 2013, leverede fire års observationer af samme synsfelt, tage et billede hvert 30. minut. I den udvidede K2-mission, teleskopet holder blikket stabilt i op til omkring tre måneder.

Med jordbaserede teleskoper, astronomer kan fortælle supernovaens farve, og hvordan den ændrer sig med tiden, som lader dem finde ud af, hvilke kemikalier der er til stede i eksplosionen. Supernovaens sammensætning hjælper med at bestemme typen af ​​stjerne, der eksploderede. Kepler, på den anden side, afslører hvordan og hvorfor stjernen eksploderer, og detaljerne om, hvordan eksplosionen skrider frem. Ved at bruge de to datasæt sammen, astronomer kan få mere fyldige billeder af supernovaernes adfærd end nogensinde før.

Kepler-missionsplanlæggere genoplivede teleskopet i 2013, efter fejlfunktion af det andet af dets fire reaktionshjul - enheder, der hjælper med at kontrollere orienteringen af ​​rumfartøjet. I konfigurationen kaldet K2, den skal rotere hver tredje måned eller deromkring – markering af observation af "kampagner". Medlemmer af Kepler Extra-Gactic Survey hævdede, at i K2-missionen, Kepler kunne stadig overvåge supernovaer og andre eksotiske, fjerne astrofysiske objekter, ud over exoplaneter.

Mulighederne var så spændende, at Kepler-holdet udtænkte to K2-observationskampagner, der var særligt nyttige til at koordinere supernovastudier med jordbaserede teleskoper. Kampagne 16, som begyndte den 7. dec. 2017, og sluttede 25. feb. 2018, inkluderet 9, 000 galakser. Der er omkring 14, 000 i kampagne 17, som først er begyndt nu. I begge kampagner, Kepler vender i retning af Jorden, så observatører på jorden kan se den samme del af himlen som rumfartøjet. Kampagnerne har begejstret et fællesskab af forskere, som kan drage fordel af denne sjældne koordinering mellem Kepler og teleskoper på jorden.

Et nyligt muligt observation fik astronomer til at ophidse sig på Super Bowl søndag i år, selvom de ikke var med i spillet. På den "super" dag, All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASASSN) rapporterede, at en supernova i den samme nærliggende galakse Kepler overvågede. Dette er blot en af ​​mange kandidatbegivenheder, som videnskabsmænd er spændte på at følge op på og måske bruge til bedre at forstå universets hemmeligheder.

Et par flere supernovaer kan komme fra NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite, (TESS), som forventes at blive lanceret den 16. april. I mellemtiden videnskabsmænd vil have en masse arbejde foran sig, når de modtager det fulde datasæt fra K2's supernova-fokuserede kampagner.

"Det vil være en skatkammer af supernova-information i de kommende år, " sagde Tucker.