Oprindelsen af ​​Type Ia supernovaer afsløret af manganoverflod

Et forskerhold ved Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) bestående af gæsteforsker Chiaki Kobayashi, Projektforsker på det tidspunkt Shing-Chi Leung (i øjeblikket ved California Institute of Technology), og seniorforsker Ken'ichi Nomoto har brugt computersimuleringer til at følge eksplosionen, atomreaktion, produktion af elementer, og udvikling af elementære overflod i galakser. Som resultat, de satte strenge begrænsninger på oprindelsen af ​​Type Ia supernovaer.

En Type Ia supernova er en type supernova, der ikke er relateret til en massiv stjernes død. I stedet, en Type Ia supernova er en lyseksplosion af en stjerne, der forekommer i et binært system, hvor to relativt lavmassestjerner udvikler sig sammen. På grund af deres relativt konstante lysstyrke, Type Ia supernovaer er blevet brugt som et standard "stearinlys" til at måle udvidelsen af ​​universet, et resultat, som 2011 Nobelprisen i fysik blev tildelt for. Imidlertid, stamstjernen til en Type Ia supernova er ukendt, og har været genstand for debat i omkring et halvt århundrede.

"Som sædvanligt for normale supernovaer, Type Ia supernovaer producerer "metaller" - eller, i astronomiske termer, kemiske grundstoffer tungere end brint og helium, sidstnævnte par sporer deres oprindelse til Big Bang - men Type Ia supernovaer producerer forskellige grundstoffer, såsom mangan (Mn), nikkel (Ni), og jern (Fe). Disse elementære overflod kan måles i spektrale træk af nærliggende stjerner, som holder en "optegnelse" over supernovaer fra fortiden, ligesom fossiler gør i arkæologi, ''Kobayashi, som også er lektor ved University of Hertfordshire i Storbritannien, sagde. Derfor, Udviklingen af ​​elementære overflod i galakser kan give en streng begrænsning for den sande oprindelse af Type Ia supernovaer.

Stamstjernerne til Type Ia supernovaer er en type hvid dværg, der er lavet af kulstof og ilt. Hvide dværge dannes efter døden af ​​mellemmassestjerner, hvor elektrondegenerationstryk støtter stjernen mod at kollapse under dens egen tyngdekraft. Imidlertid, hvis en hvid dværg overskrider sin øvre massegrænse – også kaldet Chandrasekhar-massegrænsen (opkaldt efter fysikeren Subrahmanyan Chandrasekhar) – fører dette til nukleare reaktioner, der får den til at eksplodere.

Derfor, i et binært system indeholdende en hvid dværg næsten Chandrasekhar-masse, massetilvækst fra en ledsagerstjerne kan forårsage en eksplosion, som er et af de to foreslåede scenarier ("det enkelte degenererede scenarie") for Type Ia supernovaer. I det andet scenarie, to hvide dværge dannes i et binært system ("det dobbelte degenererede scenarie"), som smelter sammen for at forårsage en eksplosion - nemlig en sub-Chandrasekhar-masseeksplosion.

For at undersøge begge sager, forskerholdet udfører detaljerede beregninger (2-dimensionelle hydrodynamiske simuleringer og nukleosyntese) af både nær-Chandrasekhar-masse og sub-Chandrasekhar-masseeksplosioner, og beregnede udviklingen af ​​Mælkevejsgalaksen, noget, der ikke var blevet gjort i tidligere undersøgelser.

"Mellem disse to sager, vi finder en kritisk forskel i udviklingen af ​​elementære overflod, især for grundstoffet mangan, '' forklarede Kobayashi. I den første simulering, eksplosionen gav stoffer med høj temperatur og høj massefylde, hvor der blev produceret meget mangan, i den anden simulering, der var ikke noget sådant, og derfor blev der ikke produceret nok mangan.

Forskerholdet inkorporerede derefter produktionsmængden af ​​hvert kemisk element i deres galaksemodel for at forudsige udviklingen af ​​grundstoffer i Mælkevejen. Sammenlignet med observationsdata, nemlig grundstofmængder målt i nærliggende stjerner med højopløsningsspektroskopi, de fandt ud af, at mindst 75 procent af Type Ia-supernovaer er nær-Chandrasekhar-masseeksplosioner. I begge tilfælde forskningen fandt, den producerede jernmasse er nogenlunde den samme - dvs. 60 procent af Solens masse - hvilket er omkring 10 gange større end i normale supernovaer fra massive stjerner.

"Den kemiske udvikling af galakser er kraftfuld til at løse langvarige problemer inden for nuklear astrofysik. Ikke kun mangan, men også nikkeloverflod er opdateret i vores beregninger med de seneste kernereaktioner. Nikkel blev overproduceret i tidligere beregninger, men nu er den forudsagte overflod i overensstemmelse med observationer, '' tilføjede Kobayashi. Som et resultat af deres resultater, Nikkeloverproduktionsproblemet er endelig løst, efter to årtiers studier.

Mere interessant, forskerholdet viste også, at et større bidrag fra sub-Chandrasekhar-masseeksplosioner foretrækkes frem for nær-Chandrasekhar-masseeksplosioner fra de tilgængelige observationer i forskellige galakser – dværg sfæroidale galakser omkring Mælkevejen, for eksempel.

Kobayashi og hendes team bemærkede, at den elementære overflod af millioner af stjerner vil blive opnået med igangværende og fremtidige internationale projekter, såsom APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment), HERMES-GALAH (Galactic Archaeology with HERMES), WEAVE (WHT Enhanced Area Velocity Explorer), 4MOST (4 meter Multi-Object Spectroscopic Telescope), MSE (The Maunakea Spectroscopic Explorer), i det nye forskningsområde "Galaktisk arkæologi, " eller studiet af Mælkevejsgalaksens historie, og deres resultater vil blive testet yderligere i fremtidig forskning.