Siliciumcarbid stjernestøv i meteoritter fører til forståelse af udbrud af stjerner

Hvad gør små pletter af siliciumcarbid stjernestøv, findes i meteoritter og ældre end solsystemet, har det til fælles med par af aldrende stjerner, der er udsat for udbrud?

Et samarbejde mellem to forskere fra Arizona State University - kosmokemikeren Maitrayee Bose og astrofysikeren Sumner Starrfield, både fra School of Earth and Space Exploration - har afsløret sammenhængen og udpeget den slags stjerneudbrud, der frembragte stjernestøvkornene.

Deres undersøgelse er netop blevet offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift .

De mikroskopiske korn af siliciumcarbid - tusind gange mindre end den gennemsnitlige bredde af et menneskehår - var en del af de byggematerialer, der byggede solen og planetsystemet. Født i nova-udbrud, som er gentagne kataklysmiske udbrud af visse typer hvide dværgstjerner, siliciumcarbidkornene findes i dag indlejret i primitive meteoritter.

"Siliciumcarbid er en af ​​de mest modstandsdygtige bits, der findes i meteoritter, " sagde Bose. "I modsætning til andre elementer, disse stjernestøvkorn har overlevet uændret fra før solsystemet blev født."

Voldelig fødsel

En stjerne bliver til en nova - en "ny stjerne" - når den pludselig lysner i mange størrelser. Novae forekommer i par af stjerner, hvor en stjerne er en varm, kompakt rest kaldet en hvid dværg. Den anden er en kølig kæmpestjerne, så stor, at dens udvidede ydre atmosfære tilfører gas til den hvide dværg. Når der samles nok gas på den hvide dværg, et termonuklear udbrud følger, og stjernen bliver en nova.

Selvom magtfuld, udbruddet ødelægger ikke den hvide dværg eller dens ledsager, så novaer kan bryde ud igen og igen, gentagne gange at kaste gas og støvkorn ud i rummet ved eksplosionen. Derfra smelter støvkornene sammen med skyer af interstellar gas for at blive ingredienserne i nye stjernesystemer.

Solen og solsystemet blev født for omkring 4,6 milliarder år siden fra netop sådan en interstellar sky, frøet med støvkorn fra tidligere stjerneudbrud af mange forskellige slags stjerner. Næsten alle de originale korn blev forbrugt til at lave solen og planeterne, dog var der en lille brøkdel tilbage. I dag er disse stumper af stjernestøv, eller præsolar korn, kan identificeres i primitive solsystemmaterialer såsom kondritiske meteoritter.

"Nøglen, der låste op for os, var den isotopiske sammensætning af stjernestøvkornene, " sagde Bose. Isotoper er varianter af kemiske grundstoffer, der har ekstra neutroner i deres kerner. "Isotopanalyse lader os spore de råmaterialer, der kom sammen for at danne solsystemet."

Hun tilføjede, "Hvert siliciumcarbidkorn bærer en signatur af den isotopiske sammensætning af sin moderstjerne. Dette giver en sonde af den stjernes nukleosyntese - hvordan den lavede elementer."

Bose indsamlede offentliggjorte data om tusindvis af korn, og fandt ud af, at næsten alle kornene grupperede sig naturligt i tre hovedkategorier, hver tilskrives en eller anden slags stjerne.

Men der var omkring 30 korn, der ikke kunne spores tilbage til en bestemt stjerneoprindelse. I de oprindelige analyser, disse korn blev markeret som muligvis stammer fra nova-eksplosioner.

Men gjorde de det?

At lave stjernestøv

Som teoretisk astrofysiker, Starrfield bruger computerberegninger og simuleringer til at studere forskellige former for stjerneeksplosioner. Disse omfatter novaer, tilbagevendende novaer, Røntgenudbrud og supernovaer.

Samarbejde med andre astrofysikere, han var ved at udvikle en computermodel til at forklare de udstødte materialer set i spektret af en nova opdaget i 2015. Derefter deltog han i et kollokvieforedrag, holdt af Bose, før hun kom til fakultetet.

"Jeg ville ikke have forfulgt dette, hvis jeg ikke havde hørt Maitrayees tale og derefter haft vores opfølgende diskussion, " sagde han. Det trak ham dybere ind i detaljerne om nova-udbrud generelt, og hvad præsolar korn kunne sige om disse eksplosioner, der kastede dem ud i rummet.

Der opstod hurtigt et problem. "Efter at have talt med hende, " sagde Starrfield, "Jeg opdagede, at vores første måde at løse problemet på ikke stemte overens med hverken de astronomiske observationer eller hendes resultater.

"Så jeg var nødt til at finde en måde at komme uden om det her."

Han vendte sig til multidimensionelle undersøgelser af klassiske nova-eksplosioner og sammensatte en helt ny måde at lave modelberegningerne på.

Der er to hovedsammensætningsklasser af nova, sagde Starrfield. "Den ene er ilt-neon-klassen, som jeg har arbejdet på i 20 år. Den anden er carbon-oxygen-klassen, som jeg ikke havde viet så meget opmærksomhed." Klassebetegnelserne for novaer kommer fra de grundstoffer, der ses i deres spektre.

"Kulstof-ilt-typen producerer meget støv som en del af selve eksplosionen, " sagde Starrfield. "Ideen er, at nova-eksplosionen når ned i den hvide dværgs kulstof-ilt-kerne, at bringe alle disse forbedrede og berigede elementer op i en region med høje temperaturer."

At, han sagde, kan drive en meget større eksplosion, tilføjer, "Det er virkelig rodet. Det skyder støv ud i ranker, ark, jetfly, klatter og klumper."

Starrfields beregninger lavede forudsigelser af 35 isotoper, herunder kulstof, nitrogen, silicium, svovl og aluminium, der ville blive skabt af kulstof-ilt nova-udbruddene.

Det viste sig, at det var absolut nødvendigt at få den rigtige andel af hvid dværgkernemateriale og ophobet materiale fra ledsagerstjernen, for at simuleringerne kunne fungere. Bose og Starrfield sammenlignede derefter forudsigelserne med de offentliggjorte sammensætninger af siliciumcarbidkornene.

Dette førte dem til en noget overraskende konklusion. sagde Bose, "Vi fandt ud af, at kun fem af de omkring 30 korn kunne komme fra novaer."

Selvom dette kan virke et skuffende resultat, forskerne var faktisk tilfredse. Bose sagde, "Nu skal vi forklare sammensætningen af ​​kornene, der ikke kommer fra nova-udbrud. Det betyder, at der er en helt ny stjernekilde eller kilder, der skal opdages."

Så ser man på det større billede, tilføjede hun, "Vi har også fundet ud af, at astronomiske observationer, computersimuleringer og højpræcisionslaboratoriemålinger af stjernestøvkorn er alle nødvendige, hvis vi vil forstå, hvordan stjerner udvikler sig. Og det er netop den form for tværfaglig videnskab, som skolen udmærker sig ved.«