Boble med titanium udløser titaniske eksplosioner

Forskere har fundet fragmenter af titanium, der sprænger ud af en berømt supernova. Denne opdagelse, lavet med NASAs Chandra X-ray Observatory, kunne være et stort skridt i at udpege præcis, hvordan nogle kæmpestjerner eksploderer.

Dette arbejde er baseret på Chandra-observationer af resterne af en supernova kaldet Cassiopeia A (Cas A), beliggende i vores galakse omkring 11, 000 lysår fra Jorden. Dette er en af ​​de yngste kendte supernova-rester, med en alder på omkring 350 år.

Årevis, forskere har kæmpet for at forstå, hvordan massive stjerner - dem med masser over omkring 10 gange Solens masse - eksploderer, når de løber tør for brændstof. Dette resultat giver en uvurderlig ny ledetråd.

"Forskere tror, ​​at det meste af titanium, der bruges i vores daglige liv - såsom i elektronik eller smykker - er produceret i en massiv stjernes eksplosion, " sagde Toshiki Sato fra Rikkyo University i Japan, der ledede undersøgelsen, der står i tidsskriftet Natur . "Imidlertid, indtil nu har videnskabsmænd aldrig været i stand til at fange øjeblikket lige efter, at stabil titanium er fremstillet."

Når en massiv stjernes kernekraftkilde løber tør, centret kollapser under tyngdekraften og danner enten en tæt stjernekerne kaldet en neutronstjerne eller, sjældnere, et sort hul. Når en neutronstjerne dannes, indersiden af ​​den kollapsende massive stjerne hopper fra overfladen af ​​stjernekernen, at vende implosionen.

Varmen fra denne katastrofale begivenhed frembringer en chokbølge - svarende til et lydbom fra et supersonisk jetfly - der løber udad gennem resten af ​​den dødsdømte stjerne, producerer nye grundstoffer ved nukleare reaktioner undervejs. Imidlertid, i mange computermodeller af denne proces, energien går hurtigt tabt og chokbølgens rejse udad går i stå, forhindrer supernovaeksplosionen.

Nylige tredimensionelle computersimuleringer tyder på, at neutrinoer - subatomære partikler med meget lav masse - lavet i skabelsen af ​​neutronstjernen spiller en afgørende rolle i at drive bobler, der suser væk fra neutronstjernen. Disse bobler fortsætter med at drive chokbølgen fremad for at udløse supernovaeksplosionen.

Med den nye undersøgelse af Cas A, holdet opdagede stærke beviser for en sådan neutrino-drevet eksplosion. I Chandra-dataene fandt de, at fingerformede strukturer, der peger væk fra eksplosionsstedet, indeholder titanium og chrom, falder sammen med jernrester, der tidligere er opdaget med Chandra. De betingelser, der kræves for at skabe disse elementer i kernereaktioner, såsom temperatur og massefylde, matche boblernes i simuleringer, der driver eksplosionerne.

Det titanium, der blev fundet af Chandra i Cas A, og som er forudsagt af disse simuleringer, er en stabil isotop af grundstoffet, hvilket betyder, at antallet af neutroner, dets atomer indeholder, antyder, at det ikke ved radioaktivitet ændres til en anden, lettere element. Tidligere havde astronomer brugt NASAs NuSTAR-teleskop til at opdage en ustabil isotop af titanium forskellige steder i Cas A. Hvert 60. år omdannes omkring halvdelen af ​​denne titaniumisotop til skandium og derefter calcium.

"Vi har aldrig set denne signatur af titaniumbobler i en supernova-rest før, et resultat, der kun var muligt med Chandras utroligt skarpe billeder, " sagde medforfatter Keiichi Maeda fra Kyoto University i Japan. "Vores resultat er et vigtigt skridt i at løse problemet med, hvordan disse stjerner eksploderer som supernovaer."

"Da supernovaen skete, titanium fragmenter blev produceret dybt inde i den massive stjerne. Fragmenterne trængte igennem overfladen af ​​den massive stjerne, danner kanten af ​​supernova-resten Cas A, " sagde medforfatter Shigehiro Nagataki fra RIKEN Cluster for Pioneering Research i Japan.

Disse resultater understøtter stærkt ideen om en neutrino-drevet eksplosion for at forklare i det mindste nogle supernovaer.

"Vores forskning kan være det vigtigste observationsresultat, der undersøger neutrinoers rolle i eksploderende massive stjerner siden påvisningen af ​​neutrinoer fra Supernova 1987A, " sagde medforfatter Takashi Yoshida fra Kyoto University i Japan.

Astronomer brugte over en million og et halvt sekund, eller over 18 dage, af Chandra, der observerer tiden fra Cas A taget mellem 2000 og 2018. Mængden af ​​stabilt titanium produceret i Cas A overstiger Jordens samlede masse.

Disse resultater blev offentliggjort den 22. april, 2021 udgave af Natur . Ud over Sato, Maeda, Nagataki og Yoshida, forfatterne af papiret er Brian Grefenstette (California Institute of Technology i Pasadena, Californien), Brian J. Williams (NASA Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland), Hideyuki Umeda (University of Tokyo i Japan), Masaomi Ono (RIKEN-klynge for banebrydende forskning i Japan), og Jack Hughes (Rutgers University i Piscataway, New Jersey).

NASAs Marshall Space Flight Center administrerer Chandra-programmet. Smithsonian Astrophysical Observatorys Chandra X-ray Center kontrollerer videnskab fra Cambridge Massachusetts og flyveoperationer fra Burlington, Massachusetts.