Hvor varme er atomer i chokbølgen af ​​en eksploderende stjerne?

En ny metode til at måle temperaturen på atomer under en stjernes eksplosive død vil hjælpe forskerne med at forstå den chokbølge, der opstår som følge af denne supernovaeksplosion. Et internationalt team af forskere, inklusive en Penn State videnskabsmand, kombineret observationer af en nærliggende supernova-rest – strukturen, der er tilbage efter en stjernes eksplosion – med simuleringer for at måle temperaturen på langsomt bevægende gasatomer, der omgiver stjernen, når de opvarmes af materialet, der drives udad af eksplosionen.

Forskerholdet analyserede langtidsobservationer af den nærliggende supernova-rest SN1987A ved hjælp af NASAs Chandra X-ray Observatory og skabte en model, der beskriver supernovaen. Holdet bekræftede, at temperaturen på selv de tungeste atomer - som endnu ikke var blevet undersøgt - er relateret til deres atomvægt, besvare et mangeårigt spørgsmål om chokbølger og give vigtig information om deres fysiske processer. Et papir, der beskriver resultaterne, udkommer 21. januar, 2019, i journalen Natur astronomi .

"Supernova-eksplosioner og deres rester giver kosmiske laboratorier, der gør os i stand til at udforske fysik under ekstreme forhold, som ikke kan duplikeres på Jorden, " sagde David Burrows, professor i astronomi og astrofysik ved Penn State og forfatter til papiret. "Moderne astronomiske teleskoper og instrumentering, både jordbaseret og rumbaseret, har givet os mulighed for at udføre detaljerede undersøgelser af supernova-rester i vores galakse og nærliggende galakser. Vi har udført regelmæssige observationer af supernova-rest SN1987A ved hjælp af NASAs Chandra X-ray Observatory, det bedste røntgenteleskop i verden, siden kort efter Chandra blev lanceret i 1999, og brugte simuleringer til at besvare mangeårige spørgsmål om chokbølger."

Den eksplosive død af en massiv stjerne som SN1987A driver materiale udad med hastigheder på op til en tiendedel af lysets hastighed, skubbe chokbølger ind i den omgivende interstellare gas. Forskere er især interesserede i chokfronten, den bratte overgang mellem den supersoniske eksplosion og den relativt langsomt bevægende gas, der omgiver stjernen. Stødfronten opvarmer denne kølige langsomt bevægende gas til millioner af grader - temperaturer høje nok til, at gassen kan udsende røntgenstråler, der kan detekteres fra Jorden.

"Overgangen ligner en, der observeres i en køkkenvask, når en højhastighedsstrøm af vand rammer vasken, flyder jævnt udad, indtil den pludselig hopper i højden og bliver turbulent, " sagde Burrows. "Stødfronter er blevet undersøgt indgående i Jordens atmosfære, hvor de forekommer over et ekstremt snævert område. Men i rummet, stødovergange er gradvise og påvirker muligvis ikke atomer af alle grundstoffer på samme måde."

Forskerholdet, ledet af Marco Miceli og Salvatore Orlando fra University of Palermo, Italien, målte temperaturen af ​​forskellige elementer bag stødfronten, som vil forbedre forståelsen af ​​chokprocessens fysik. Disse temperaturer forventes at være proportionale med grundstoffernes atomvægt, men temperaturerne er svære at måle nøjagtigt. Tidligere undersøgelser har ført til modstridende resultater vedrørende dette forhold, og har undladt at inkludere tunge grundstoffer med høj atomvægt. Forskerholdet henvendte sig til supernova SN1987A for at hjælpe med at løse dette dilemma.

Supernova SN1987A, som er placeret i det nærliggende stjernebillede kaldet den store magellanske sky, var den første supernova, der var synlig for det blotte øje siden Keplers Supernova i 1604. Den er også den første, der er blevet studeret i detaljer med moderne astronomiske instrumenter. Lyset fra dens eksplosion nåede først jorden den 23. februar, 1987, og siden da er det blevet observeret ved alle lysets bølgelængder, fra radiobølger til røntgenstråler og gammabølger. Forskerholdet brugte disse observationer til at bygge en model, der beskriver supernovaen.

Modeller af SN1987A har typisk fokuseret på enkelte observationer, men i denne undersøgelse, forskerne brugte tredimensionelle numeriske simuleringer til at inkorporere supernovaens udvikling, fra dens begyndelse til den nuværende alder. En sammenligning af røntgenobservationerne og modellen gjorde det muligt for forskerne nøjagtigt at måle atomare temperaturer af forskellige grundstoffer med en bred vifte af atomvægte, og for at bekræfte forholdet, der forudsiger den temperatur, der nås af hver type atom i den interstellare gas.

"Vi kan nu nøjagtigt måle temperaturen på grundstoffer så tunge som silicium og jern, og har vist, at de faktisk følger forholdet, at temperaturen af ​​hvert grundstof er proportional med det pågældende grundstofs atomvægt, " sagde Burrows. "Dette resultat løser et vigtigt spørgsmål i forståelsen af ​​astrofysiske chokbølger og forbedrer vores forståelse af chokprocessen."