Odkrycie ciemnej energii, tajemniczej siły, która przyspiesza ekspansję wszechświata, oparto na obserwacjach supernowych typu 1a, a te gwiezdne eksplozje były od dawna używane jako „standardowe świece” do pomiaru ekspansji. Nowe badanie ujawnia źródła zmienności w tych supernowych, a aby dokładnie zbadać naturę ciemnej energii i ustalić, czy jest ona stała czy zmienna w czasie, naukowcy będą musieli znaleźć sposób pomiaru odległości kosmicznych ze znacznie większą precyzją niż w przeszłość.
„Rozpoczynając kolejną generację eksperymentów kosmologicznych, będziemy chcieli wykorzystać supernowe typu 1a jako bardzo czułe miary odległości” - powiedział główny autor Daniel Kasen z badania opublikowanego w Nature w tym tygodniu. „Wiemy, że nie wszystkie mają tę samą jasność, i mamy na to sposoby, ale musimy wiedzieć, czy istnieją systematyczne różnice, które mogłyby wpływać na pomiary odległości. W tym badaniu zbadano, co powoduje różnice w jasności ”.
Kasen i jego współautorzy - Fritz Röpke z Instytutu Astrofizyki Maxa Plancka w Garching, Niemcy oraz Stan Woosley, profesor astronomii i astrofizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz - wykorzystali superkomputery do przeprowadzenia dziesiątek symulacji supernowych typu 1a. Wyniki wskazują, że duża różnorodność obserwowana w tych supernowych jest spowodowana chaotycznym charakterem zachodzących procesów i wynikającą z tego asymetrią wybuchów.
W przeważającej części ta zmienność nie spowodowałaby systematycznych błędów w badaniach pomiarowych, o ile badacze wykorzystają dużą liczbę obserwacji i zastosują standardowe poprawki, powiedział Kasen. Badanie wykazało niewielki, ale potencjalnie niepokojący efekt, który może wynikać z systematycznych różnic w składzie chemicznym gwiazd w różnych momentach w historii wszechświata. Ale badacze mogą wykorzystać modele komputerowe do dalszego scharakteryzowania tego efektu i opracowania poprawek.
Supernowa typu 1a ma miejsce, gdy gwiazda białego karła zyskuje dodatkową masę poprzez odsysanie materii od gwiazdy towarzyszącej. Kiedy osiągnie masę krytyczną - 1,4 razy masę Słońca, upakowaną w obiekcie wielkości Ziemi - ciepło i ciśnienie w środku gwiazdy wywołują niekontrolowaną reakcję syntezy jądrowej, a biały karzeł eksploduje. Ponieważ początkowe warunki są prawie takie same we wszystkich przypadkach, te supernowe mają zwykle tę samą jasność, a ich „krzywe światła” (jak zmienia się jasność w czasie) są przewidywalne.
Niektóre są z natury jaśniejsze niż inne, ale migoczą i zanikają wolniej, a ta korelacja między jasnością a szerokością krzywej światła pozwala astronomom na zastosowanie korekty w celu ujednolicenia swoich obserwacji. Astronomowie mogą więc zmierzyć krzywą światła supernowej typu 1a, obliczyć jej wewnętrzną jasność, a następnie określić, jak daleko jest, ponieważ jasność pozorna zmniejsza się wraz z odległością (tak jak świeca wydaje się przygasać z odległości, niż z bliska) .
Modele komputerowe zastosowane do symulacji tych supernowych w nowym badaniu opierają się na bieżącym teoretycznym zrozumieniu, w jaki sposób i gdzie rozpoczyna się proces zapłonu wewnątrz białego karła i gdzie następuje przejście od wolno palącego spalania do wybuchowej detonacji.
Symulacje wykazały, że asymetria wybuchów jest kluczowym czynnikiem determinującym jasność supernowych typu 1a. „Powód, dla którego te supernowe nie są tak samo jasne, jest ściśle związany z tym przełamaniem sferycznej symetrii”, powiedział Kasen.
Dominującym źródłem zmienności jest synteza nowych pierwiastków podczas eksplozji, która jest wrażliwa na różnice w geometrii pierwszych iskier, które zapalają termojądrową ucieczkę w gotującym się rdzeniu białego karła. Nikiel-56 jest szczególnie ważny, ponieważ rozpad radioaktywny tego niestabilnego izotopu tworzy poświatę, którą astronomowie mogą obserwować przez miesiące, a nawet lata po wybuchu.
„Rozpad niklu-56 napędza krzywą światła. Eksplozja dobiega końca w ciągu kilku sekund, więc widzimy, jak nikiel ogrzewa gruz i promieniuje światłem ”- powiedział Kasen.
Kasen opracował kod komputerowy do symulacji tego procesu transferu radiacyjnego, wykorzystując dane wyjściowe z symulowanych eksplozji do wytworzenia wizualizacji, które można porównać bezpośrednio z astronomicznymi obserwacjami supernowych.
Dobrą wiadomością jest to, że zmienność obserwowana w modelach komputerowych zgadza się z obserwacjami supernowych typu 1a. „Co najważniejsze, szerokość i szczytowa jasność krzywej światła są skorelowane w sposób zgodny z tym, co znaleźli obserwatorzy. Modele są więc zgodne z obserwacjami, na których oparto odkrycie ciemnej energii ”- powiedział Woosley.
Innym źródłem zmienności jest to, że te asymetryczne eksplozje wyglądają inaczej, patrząc pod różnymi kątami. Może to wyjaśniać różnice w jasności nawet o 20 procent, powiedział Kasen, ale efekt jest losowy i powoduje rozproszenie w pomiarach, które można statystycznie zmniejszyć poprzez obserwację dużej liczby supernowych.
Potencjał systematycznego uprzedzenia wynika przede wszystkim ze zmiany początkowego składu chemicznego gwiazdy białego karła. Cięższe pierwiastki są syntetyzowane podczas wybuchów supernowych, a szczątki z tych wybuchów są włączane do nowych gwiazd. W rezultacie powstałe niedawno gwiazdy prawdopodobnie będą zawierać więcej ciężkich pierwiastków (wyższa „metaliczność” w terminologii astronomów) niż gwiazdy powstałe w odległej przeszłości.
„Tego rodzaju ewolucji oczekujemy w miarę upływu czasu, więc jeśli spojrzysz na odległe gwiazdy odpowiadające znacznie wcześniejszym okresom w historii wszechświata, będą one miały mniejszą metaliczność”, powiedział Kasen. „Kiedy obliczyliśmy wpływ tego w naszych modelach, stwierdziliśmy, że wynikające z tego błędy w pomiarach odległości będą rzędu 2 procent lub mniej”.
Dalsze badania z wykorzystaniem symulacji komputerowych umożliwią naukowcom bardziej szczegółowe scharakteryzowanie skutków takich zmian i ograniczą ich wpływ na przyszłe eksperymenty z ciemną energią, co może wymagać poziomu precyzji, który sprawi, że błędy wynoszące 2 procent będą nie do przyjęcia.
Źródło: EurekAlert
