Źródło zdjęcia: ESO
Nowe dane zebrane przez Very Large Telescope (VLT) Europejskiego Obserwatorium Południowego wydają się wskazywać, że supernowe mogą nie być symetryczne podczas wybuchu - ich jasność zmienia się w zależności od tego, jak na nie patrzysz. Jeśli są jaśniejsze lub ciemniejsze w zależności od tego, jak na nie patrzysz, może to powodować błędy w obliczeniach odległości. Jednak nowe badania wskazują, że z czasem stają się one bardziej symetryczne, więc astronomowie muszą tylko chwilę poczekać, zanim wykonają obliczenia.
Międzynarodowy zespół astronomów [2] przeprowadził nowe i bardzo szczegółowe obserwacje supernowej w odległej galaktyce za pomocą bardzo dużego teleskopu ESO (VLT) w Obserwatorium Paranal (Chile). Pokazują po raz pierwszy, że określony rodzaj supernowej, spowodowany wybuchem „białego karła”, gęstej gwiazdy o masie wokół masy Słońca, jest asymetryczny podczas początkowych faz ekspansji.
Znaczenie tej obserwacji jest znacznie większe, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Ten szczególny rodzaj supernowej, oznaczony jako „Typ Ia”, odgrywa bardzo ważną rolę w obecnych próbach mapowania Wszechświata. Od dawna zakładano, że wszystkie supernowe typu Ia mają tę samą wewnętrzną jasność, dzięki czemu zyskały pseudonim „standardowych świec”.
Jeśli tak, różnice w jasności obserwowanej między poszczególnymi supernowymi tego typu po prostu odzwierciedlają ich różne odległości. To oraz fakt, że szczytowa jasność tych supernowych rywalizuje z ich macierzystą galaktyką, pozwoliła zmierzyć odległości nawet bardzo odległych galaktyk. Niedawno odkryte pewne pozorne rozbieżności doprowadziły do odkrycia kosmicznego przyspieszenia.
Jednak ta pierwsza wyraźna obserwacja asymetrii eksplozji w supernowej typu Ia oznacza, że dokładna jasność takiego obiektu będzie zależeć od kąta, z którego jest on widziany. Ponieważ kąt ten nie jest znany żadnej konkretnej supernowej, wprowadza to oczywiście pewną niepewność do tego rodzaju podstawowych pomiarów odległości we Wszechświecie, które należy wziąć pod uwagę w przyszłości.
Na szczęście dane VLT pokazują również, że jeśli trochę poczekasz - co z punktu widzenia obserwacji umożliwia głębsze spojrzenie na rozszerzającą się kulę ognia - wtedy staje się ona bardziej kulista. Oznaczenia odległości supernowych przeprowadzane na tym późniejszym etapie będą zatem dokładniejsze.
Eksplozje supernowej i odległości kosmiczne
Podczas supernowych typu Ia resztki gwiazd o początkowej masie nawet kilkukrotnie większej od Słońca (tak zwane „gwiazdy białego karła”) eksplodują, pozostawiając po sobie tylko szybko rozszerzającą się chmurę „gwiezdnego pyłu”.
Supernowe typu Ia są najwyraźniej do siebie bardzo podobne. To zapewnia im bardzo przydatną rolę jako „standardowe świece”, których można użyć do pomiaru odległości kosmicznych. Ich szczytowa jasność dorównuje jasności ich macierzystej galaktyki, co kwalifikuje je jako główne kosmiczne mierniki.
Astronomowie wykorzystali tę szczęśliwą okoliczność do zbadania historii ekspansji naszego Wszechświata. Niedawno doszli do fundamentalnego wniosku, że Wszechświat rozwija się w przyspieszającym tempie, por. ESO PR 21/98, grudzień 1998 (patrz także strona internetowa sondy akceleracyjnej Supernova).
Eksplozja gwiazdy białego karła
W najszerzej akceptowanych modelach supernowych typu Ia gwiazda białego karła przed wybuchem okrąża podobną do Słońca gwiazdę towarzyszącą, dokonując rewolucji co kilka godzin. Z powodu bliskiego oddziaływania gwiazda towarzysząca nieustannie traci masę, której część jest zbierana (w terminologii astronomicznej „akreowany”) przez białego karła.
Biały karzeł reprezentuje przedostatni etap gwiazdy typu słonecznego. W reaktorze jądrowym dawno skończyło się paliwo i teraz jest on nieaktywny. Jednak w pewnym momencie ciężar montażowy gromadzącego się materiału zwiększy ciśnienie wewnątrz białego karła do tego stopnia, że popioły jądrowe w nim zapalą się i zaczną palić się w jeszcze cięższe elementy. Proces ten bardzo szybko staje się niekontrolowany, a cała gwiazda zostaje rozbita na kawałki w dramatycznym wydarzeniu. Widoczna jest niezwykle gorąca kula ognia, która często przyćmiewa galaktykę gospodarza.
Kształt wybuchu
Chociaż wszystkie supernowe typu Ia mają dość podobne właściwości, do tej pory nigdy nie było jasne, jak podobne wydarzenie mogłoby wyglądać dla obserwatorów, którzy patrzą na to z różnych stron. Wszystkie jajka wyglądają podobnie i nie można ich odróżnić, patrząc pod tym samym kątem, ale widok z boku (owalny) jest oczywiście inny niż widok końcowy (okrągły).
I rzeczywiście, gdyby eksplozje supernowej typu Ia były asymetryczne, świeciłyby z różną jasnością w różnych kierunkach. Obserwacje różnych supernowych - widziane pod różnymi kątami - nie mogły zatem zostać bezpośrednio porównane.
Jednak nie znając tych kątów, astronomowie wywnioskowaliby wówczas nieprawidłowe odległości i wątpliwość co do dokładności tej podstawowej metody pomiaru struktury Wszechświata byłaby wątpliwa.
Polarymetria na ratunek
Proste obliczenia pokazują, że nawet dla orlich oczu interferometru VLT (VLTI) wszystkie supernowe w kosmologicznych odległościach pojawią się jako nierozpoznane punkty światła; są po prostu za daleko. Istnieje jednak inny sposób określenia kąta patrzenia na określoną supernową: polarymetria to nazwa sztuczki!
Polarymetria działa w następujący sposób: światło składa się z fal elektromagnetycznych (lub fotonów), które oscylują w określonych kierunkach (płaszczyznach). Odbicie lub rozproszenie światła sprzyja niektórym orientacjom pól elektrycznych i magnetycznych nad innymi. Właśnie dlatego okulary polaryzacyjne mogą odfiltrować błysk światła słonecznego odbijającego się od stawu.
Kiedy światło rozprasza się przez rozszerzające się szczątki supernowej, zachowuje informacje o orientacji warstw rozpraszających. Jeśli supernowa jest sferycznie symetryczna, wszystkie orientacje będą obecne równomiernie i uśrednią się, więc nie będzie polaryzacji sieci. Jeśli jednak powłoka gazowa nie jest okrągła, na polach świetlnych zostanie odciśnięta niewielka polaryzacja.
„Nawet w przypadku dość zauważalnych asymetrii polaryzacja jest jednak bardzo mała i ledwo przekracza poziom jednego procenta”, mówi Dietrich Baade, astronom ESO i członek zespołu, który przeprowadził obserwacje. „Ich pomiar wymaga instrumentu, który jest bardzo czuły i bardzo stabilny. ”
Pomiar słabych i odległych źródeł światła różnic na poziomie mniejszym niż jeden procent stanowi poważne wyzwanie obserwacyjne. „Jednak bardzo duży teleskop ESO (VLT) oferuje precyzję, moc zbierania światła, a także specjalistyczne oprzyrządowanie wymagane do tak wymagających obserwacji polarymetrycznych”, wyjaśnia Dietrich Baade. „Ale ten projekt nie byłby możliwy bez obsługi VLT w trybie serwisowym. Naprawdę nie można przewidzieć, kiedy supernowa wybuchnie, a my musimy być cały czas gotowi. Tylko tryb serwisowy umożliwia obserwacje w krótkim czasie. Kilka lat temu była to dalekowzroczna i odważna decyzja dyrekcji ESO, aby położyć tak duży nacisk na tryb serwisowy. I to zespół kompetentnych i oddanych astronomów ESO z Paranal sprawił, że koncepcja ta okazała się praktycznym sukcesem ”, dodaje.
Astronomowie [1] wykorzystali wielomodowy instrument FORS1 VLT do obserwacji SN 2001el, supernowej typu Ia odkrytej we wrześniu 2001 r. W galaktyce NGC 1448, por. Zdjęcie PR 24a / 03 w odległości 60 milionów lat świetlnych.
Obserwacje uzyskane około tydzień przed osiągnięciem przez supernową maksymalnej jasności około 2 października ujawniły polaryzację na poziomie 0,2-0,3% (zdjęcie PR 24b / 03). W pobliżu maksymalnego światła i do dwóch tygodni później polaryzacja była nadal mierzalna. Sześć tygodni po maksimum polaryzacja spadła poniżej wykrywalności.
To pierwszy raz, kiedy normalna supernowa typu Ia wykazuje tak wyraźne dowody asymetrii.
Patrząc głębiej w supernową
Bezpośrednio po wybuchu supernowej większość wyrzuconej materii porusza się z prędkością około 10 000 km / s. Podczas tej ekspansji najbardziej zewnętrzne warstwy stają się stopniowo bardziej przezroczyste. Z czasem można zatem coraz głębiej patrzeć w supernową.
Polaryzacja zmierzona w SN 2001el zapewnia zatem dowód, że najbardziej zewnętrzne części supernowej (które są po raz pierwszy widoczne) są znacznie asymetryczne. Później, gdy obserwacje VLT „wnikają” głębiej w serce supernowej, geometria wybuchu jest coraz bardziej symetryczna.
Jeśli modelowany w kategoriach spłaszczonego kształtu sferoidalnego, zmierzona polaryzacja w SN 2001el implikuje stosunek osi mniejszej do większej około 0,9 przed osiągnięciem maksymalnej jasności i sferycznie symetryczną geometrię od około tygodnia od tego maksimum i dalej.
Implikacje kosmologiczne
Jednym z kluczowych parametrów, na których oparte są szacunki odległości typu Ia, jest maksymalna jasność optyczna. Zmierzona asferyczność w tym momencie wprowadziłaby bezwzględną niepewność jasności (dyspersję) wynoszącą około 10%, gdyby nie dokonano korekty kąta widzenia (co nie jest znane).
Podczas gdy supernowe typu Ia są zdecydowanie najlepszymi standardowymi świecami do pomiaru odległości kosmologicznych, a zatem do badania tak zwanej ciemnej energii, utrzymuje się niewielka niepewność pomiaru.
„Asymetria, którą zmierzyliśmy w SN 2001el, jest wystarczająco duża, aby wyjaśnić dużą część tej wewnętrznej niepewności”, mówi Lifan Wang, lider zespołu. „Jeśli wszystkie supernowe typu Ia są takie, to spowodowałoby to dużą dyspersję w pomiarach jasności. Mogą być jeszcze bardziej jednolite, niż nam się wydawało.
Zmniejszenie dyspersji w pomiarach jasności można oczywiście osiągnąć również poprzez znaczne zwiększenie liczby obserwowanych supernowych, ale biorąc pod uwagę, że pomiary te wymagają największych i najdroższych teleskopów na świecie, takich jak VLT, nie jest to najbardziej wydajna metoda.
Tak więc, gdyby zamiast tego użyto jasności zmierzonej tydzień lub dwa po maksimum, sferyczność zostałaby przywrócona i nie byłoby systematycznych błędów z nieznanego kąta widzenia. Dzięki tej niewielkiej zmianie procedury obserwacyjnej supernowe typu Ia mogą stać się jeszcze bardziej niezawodnymi kosmicznymi miernikami.
Implikacje teoretyczne
Obecne wykrywanie spolaryzowanych cech widmowych zdecydowanie sugeruje, że aby zrozumieć podstawową fizykę, modelowanie teoretyczne supernowych typu Ia będzie musiało zostać wykonane we wszystkich trzech wymiarach z większą dokładnością niż obecnie. W rzeczywistości dostępne, bardzo złożone obliczenia hydrodynamiczne nie były do tej pory w stanie odtworzyć struktur odsłoniętych przez SN 2001el.
Więcej informacji
Wyniki przedstawione w niniejszym komunikacie prasowym zostały opisane w artykule badawczym w „Astrophysical Journal” („Spectropolarimetry of SN 2001el w NGC 1448: Asphericity of a Normal Type Ia Supernova” Lifan Wang i współautorzy, tom 591, str. 1110).
Notatki
[1]: Jest to skoordynowana ESO / Lawrence Berkeley National Laboratory / Univ. komunikatu prasowego Teksasu. Komunikat prasowy LBNL jest dostępny tutaj.
[2]: W skład zespołu wchodzą Lifan Wang, Dietrich Baade, Peter H? Flich, Alexei Khokhlov, J. Craig Wheeler, Daniel Kasen, Peter E. Nugent, Saul Perlmutter, Claes Fransson i Peter Lundqvist.
Oryginalne źródło: ESO News Release
