De ontdekking van donkere energie, een mysterieuze kracht die de uitdijing van het heelal versnelt, was gebaseerd op waarnemingen van type 1a supernovae, en deze stellaire explosies worden al lang gebruikt als 'standaardkaarsen' om de uitzetting te meten. Een nieuwe studie onthult bronnen van variabiliteit in deze supernova's, en om de aard van donkere energie nauwkeurig te onderzoeken en te bepalen of deze constant of variabel is in de tijd, zullen wetenschappers een manier moeten vinden om kosmische afstanden te meten met een veel grotere precisie dan in het verleden.
"Als we beginnen aan de volgende generatie van kosmologische experimenten, zullen we supernovae type 1a willen gebruiken als zeer gevoelige afstandsmaten", zegt hoofdauteur Daniel Kasen van een studie die deze week in Nature is gepubliceerd. “We weten dat ze niet allemaal dezelfde helderheid hebben, en we hebben manieren om dit te corrigeren, maar we moeten weten of er systematische verschillen zijn die de afstandsmetingen zouden vertekenen. Dus deze studie onderzocht wat deze verschillen in helderheid veroorzaakt. ”
Kasen en zijn coauteurs - Fritz Röpke van het Max Planck Instituut voor Astrofysica in Garching, Duitsland, en Stan Woosley, professor in astronomie en astrofysica aan UC Santa Cruz - gebruikten supercomputers om tientallen simulaties van type 1a supernovae uit te voeren. De resultaten geven aan dat een groot deel van de diversiteit die in deze supernova's wordt waargenomen, te wijten is aan het chaotische karakter van de betrokken processen en de resulterende asymmetrie van de explosies.
Voor het grootste deel zou deze variabiliteit geen systematische fouten opleveren in meetstudies, zolang onderzoekers grote aantallen observaties gebruiken en de standaardcorrecties toepassen, zei Kasen. De studie vond wel een klein maar potentieel zorgwekkend effect dat het gevolg zou kunnen zijn van systematische verschillen in de chemische samenstelling van sterren op verschillende tijdstippen in de geschiedenis van het heelal. Maar onderzoekers kunnen de computermodellen gebruiken om dit effect verder te karakteriseren en er correcties voor te ontwikkelen.
Een type 1a supernova treedt op wanneer een witte dwergster extra massa krijgt door materie weg te hevelen van een begeleidende ster. Wanneer het een kritische massa bereikt - 1,4 keer de massa van de zon, verpakt in een object ter grootte van de aarde - veroorzaken de hitte en druk in het midden van de ster een op hol geslagen kernfusiereactie en explodeert de witte dwerg. Aangezien de beginvoorwaarden in alle gevallen ongeveer hetzelfde zijn, hebben deze supernova's de neiging dezelfde helderheid te hebben en zijn hun "lichtkrommen" (hoe de helderheid in de tijd verandert) voorspelbaar.
Sommige zijn intrinsiek helderder dan andere, maar deze flitsen en vervagen langzamer en dankzij deze correlatie tussen de helderheid en de breedte van de lichtkromme kunnen astronomen een correctie toepassen om hun waarnemingen te standaardiseren. Astronomen kunnen dus de lichtcurve van een type 1a supernova meten, de intrinsieke helderheid berekenen en vervolgens bepalen hoe ver het is, aangezien de schijnbare helderheid met de afstand afneemt (net zoals een kaars op een afstand zwakker lijkt dan van dichtbij). .
De computermodellen die in deze nieuwe studie zijn gebruikt om deze supernova's te simuleren, zijn gebaseerd op het huidige theoretische begrip van hoe en waar het ontstekingsproces in de witte dwerg begint en waar het de overgang maakt van langzaam brandende verbranding naar explosieve ontploffing.
Uit de simulaties bleek dat de asymmetrie van de explosies een sleutelfactor is die de helderheid van type 1a supernovae bepaalt. "De reden dat deze supernova's niet allemaal dezelfde helderheid hebben, is nauw verbonden met dit doorbreken van de sferische symmetrie," zei Kasen.
De dominante bron van variabiliteit is de synthese van nieuwe elementen tijdens de explosies, die gevoelig is voor verschillen in de geometrie van de eerste vonken die een thermonucleaire wegloper in de sudderende kern van de witte dwerg doen ontbranden. Nikkel-56 is vooral belangrijk omdat het radioactieve verval van deze onstabiele isotoop de nagloei veroorzaakt die astronomen maanden of zelfs jaren na de explosie kunnen waarnemen.
'Het verval van nikkel-56 is wat de lichtcurve aandrijft. De explosie is binnen enkele seconden voorbij, dus wat we zien is het resultaat van hoe het nikkel het puin verwarmt en hoe het puin licht uitstraalt, ”zei Kasen.
Kasen heeft de computercode ontwikkeld om dit stralingsoverdrachtsproces te simuleren, waarbij de output van de gesimuleerde explosies wordt gebruikt om visualisaties te produceren die direct kunnen worden vergeleken met astronomische waarnemingen van supernovae.
Het goede nieuws is dat de variabiliteit in de computermodellen overeenkomt met waarnemingen van type 1a supernovae. “Het belangrijkste is dat de breedte en piekhelderheid van de lichtkromme gecorreleerd zijn op een manier die overeenkomt met wat de waarnemers hebben gevonden. De modellen zijn dus consistent met de waarnemingen waarop de ontdekking van donkere energie was gebaseerd, ”zei Woosley.
Een andere bron van variabiliteit is dat deze asymmetrische explosies er vanuit verschillende hoeken anders uitzien. Dit kan verantwoordelijk zijn voor verschillen in helderheid van maar liefst 20 procent, zei Kasen, maar het effect is willekeurig en zorgt voor spreiding in de metingen die statistisch kunnen worden verminderd door grote aantallen supernova's te observeren.
Het potentieel voor systematische bias komt voornamelijk voort uit variatie in de initiële chemische samenstelling van de witte dwergster. Zwaardere elementen worden gesynthetiseerd tijdens supernova-explosies en puin van die explosies wordt opgenomen in nieuwe sterren. Dientengevolge bevatten sterren die recentelijk zijn gevormd waarschijnlijk meer zware elementen (hogere "metalliciteit" in de terminologie van astronomen) dan sterren die in het verre verleden zijn gevormd.
"Dat is het soort dingen waarvan we verwachten dat ze in de loop van de tijd zullen evolueren, dus als je naar verre sterren kijkt die overeenkomen met veel eerdere tijden in de geschiedenis van het universum, hebben ze de neiging een lagere metalliciteit te hebben," zei Kasen. "Toen we het effect hiervan in onze modellen berekenden, ontdekten we dat de resulterende fouten in afstandsmetingen in de orde van grootte van 2 procent of minder zouden zijn."
Verdere studies met computersimulaties zullen onderzoekers in staat stellen om de effecten van dergelijke variaties gedetailleerder te karakteriseren en hun impact op toekomstige experimenten met donkere energie te beperken, wat een nauwkeurigheidsniveau kan vereisen dat fouten van 2 procent onaanvaardbaar zou maken.
Bron: EurekAlert
