Afbeelding tegoed: LBL
Door gepolariseerd licht van een ongebruikelijke exploderende ster te meten, heeft een internationaal team van astrofysici en astronomen het eerste gedetailleerde beeld van een Type Ia-supernova en het kenmerkende sterrenstelsel waarin het explodeerde, uitgewerkt.
Met behulp van de Very Large Telescope van de European Southern Observatory in Chili bepaalden de onderzoekers dat de supernova 2002ic explodeerde in een platte, dichte, klonterige schijf van stof en gas, die eerder was weggeblazen van een metgezel. Hun werk suggereert dat deze en enkele andere voorlopers van Type Ia supernovae lijken op de objecten die bekend staan als protoplanetaire nevels, bekend in ons eigen Melkwegstelsel.
Lifan Wang van Lawrence Berkeley National Laboratory, Dietrich Baade van de European Southern Observatory (ESO), Peter H? Flich en J. Craig Wheeler van de Universiteit van Texas in Austin, Koji Kawabata van de National Astronomical Observatory of Japan en Ken'ichi Nomoto van de Universiteit van Tokyo rapporteert hun bevindingen in het nummer van 20 maart 2004 van Astrophysical Journal Letters.
Supernovae casten om te typen
Supernovae worden gelabeld volgens de elementen die zichtbaar zijn in hun spectra: Type I-spectra missen waterstoflijnen, terwijl Type II-spectra deze lijnen hebben. Wat SN 2002ic ongebruikelijk maakt, is dat het spectrum anders lijkt op een typische Type Ia-supernova, maar een sterke waterstofemissielijn vertoont.
Type II en enkele andere supernovae treden op wanneer de kernen van zeer massieve sterren instorten en exploderen, waardoor extreem dichte neutronensterren of zelfs zwarte gaten achterblijven. Supernovae van het type Ia ontploffen echter door een heel ander mechanisme.
"Een Type Ia-supernova is een metalen vuurbal", legt Berkeley Lab's Wang uit, een pionier op het gebied van supernova-spectropolarimetrie. 'Een Type Ia heeft geen waterstof of helium, maar veel ijzer, plus radioactief nikkel, kobalt en titanium, een beetje silicium en een beetje koolstof en zuurstof. Dus een van zijn voorlopers moet een oude ster zijn die is geëvolueerd om een koolstof-zuurstof witte dwerg achter te laten. Maar koolstof en zuurstof, als splijtstoffen, verbranden niet gemakkelijk. Hoe kan een witte dwerg exploderen? '
De meest algemeen aanvaarde Type Ia-modellen gaan ervan uit dat de witte dwerg - ongeveer zo groot als de aarde, maar die het grootste deel van de massa van de zon inpakt - materie van een omringende metgezel oproept tot het 1,4 zonsmassa's bereikt, bekend als de Chandrasekhar-limiet. De nu superdense witte dwerg ontbrandt in een machtige thermonucleaire explosie en laat niets dan sterrenstof achter.
Andere schema's zijn onder meer de samenvoeging van twee witte dwergen of zelfs een eenzame witte dwerg die de zaak die door zijn jongere zelf is afgeschoten, opnieuw in beslag neemt. Ondanks drie decennia zoeken, tot aan de ontdekking en daaropvolgende spectropolarimetrische studies van SN 2002ic, was er geen enkel bewijs voor enig model.
In november 2002 rapporteerden Michael Wood-Vasey en zijn collega's van de nabijgelegen Supernova-fabriek van het Department of Energy in Berkeley Lab de ontdekking van SN 2002ic, kort nadat de explosie ervan werd ontdekt op bijna een miljard lichtjaar afstand in een anoniem sterrenstelsel in de sterrenbeeld Vissen.
In augustus 2003 meldden Mario Hamuy van de Carnegie Observatories en zijn collega's dat de bron van het overvloedige waterstofrijke gas in SN 2002ic hoogstwaarschijnlijk een zogenaamde Asymptotic Giant Branch (AGB) -ster was, een ster in de laatste fasen van zijn leven, met drie tot acht keer de massa van de zon - precies het soort ster dat, nadat het zijn buitenste lagen van waterstof, helium en stof heeft weggeblazen, een witte dwerg achterlaat.
Bovendien was deze schijnbaar tegenstrijdige supernova - een Type Ia met waterstof - in feite vergelijkbaar met andere waterstofrijke supernovae die eerder Type IIn werden genoemd. Dit suggereerde op zijn beurt dat, hoewel Supernovae van type I inderdaad opmerkelijk veel op elkaar lijken, er grote verschillen kunnen zijn tussen hun voorlopers.
Omdat supernovae van type I zo veel op elkaar lijken en zo helder zijn - zo helder of helderder dan hele sterrenstelsels - zijn ze de belangrijkste astronomische standaardkaarsen geworden voor het meten van kosmische afstanden en de uitdijing van het heelal. Begin 1998, na analyse van tientallen observaties van verre Type Ia supernovae, kondigden leden van het Supernova Cosmology Project van het Department of Energy, gevestigd in Berkeley Lab, samen met hun rivalen in het High-Z Supernova Search Team in Australië, de verbazingwekkende ontdekking aan dat de uitbreiding van het universum versnelt.
Kosmologen hebben vervolgens vastgesteld dat meer dan tweederde van het universum bestaat uit een mysterieus iets dat 'donkere energie' wordt genoemd, dat de ruimte uitrekt en de versnellende expansie aandrijft. Maar meer leren over donkere energie zal afhangen van een zorgvuldige studie van veel verder weg gelegen Type Ia supernovae, inclusief een betere kennis van wat voor soort sterrenstelsels ze veroorzaken.
Structuur afbeelden met spectropolarimetrie
De spectropolarimetrie van SN 2002ic heeft het meest gedetailleerde beeld van een Type Ia-systeem tot nu toe opgeleverd. Polarimetrie meet de oriëntatie van lichtgolven; Polaroid-zonnebrillen 'meten' bijvoorbeeld horizontale polarisatie wanneer ze een deel van het licht dat wordt weerkaatst door vlakke oppervlakken blokkeren. In een object als een stofwolk of een stellaire explosie wordt licht echter niet gereflecteerd door oppervlakken, maar verstrooid door deeltjes of elektronen.
Als de stofwolk of explosie bolvormig en uniform glad is, zijn alle oriëntaties gelijk vertegenwoordigd en is de netto polarisatie nul. Maar als het object niet bolvormig is - bijvoorbeeld in de vorm van een schijf of een sigaar - zal meer licht in sommige richtingen oscilleren dan in andere.
Zelfs voor vrij merkbare asymmetrieën is de netto polarisatie zelden meer dan één procent. Het was dus een uitdaging voor het ESO-spectropolarimetrie-instrument om vage SN 2002ic te meten, zelfs met de krachtige Very Large Telescope. Het duurde enkele uren observatie op vier verschillende nachten om de nodige hoogwaardige polarimetrie- en spectroscopiegegevens te verkrijgen.
De observaties van het team kwamen bijna een jaar nadat SN 2002ic voor het eerst was ontdekt. De supernova was veel zwakker geworden, maar de prominente waterstofemissielijn was zes keer helderder. Met spectroscopie bevestigden de astronomen de waarneming van Hamuy en zijn metgezellen, dat ejecta die met hoge snelheid uit de explosie naar buiten stortte, in omringende dikke, waterstofrijke materie was terechtgekomen.
Alleen de nieuwe polarimetrische studies konden echter aantonen dat het grootste deel van deze materie de vorm had van een dunne schijf. De polarisatie was waarschijnlijk het gevolg van de interactie van ejecta met hoge snelheid van de explosie met de stofdeeltjes en elektronen in de langzamer bewegende omringende materie. Vanwege de manier waarop de waterstoflijn was opgehelderd lang nadat de supernova voor het eerst werd waargenomen, concludeerden de astronomen dat de schijf dichte klonten bevatte en lang voordat de witte dwerg explodeerde op zijn plaats was.
"Deze verrassende resultaten suggereren dat de stamvader van SN 2002ic opmerkelijk veel leek op objecten die astronomen in onze eigen Melkweg kennen, namelijk protoplanetaire nevels", zegt Wang. Veel van deze nevels zijn de overblijfselen van de weggeblazen buitenste schil van asymptotische Giant Branch-sterren. Zulke sterren, als ze snel ronddraaien, werpen dunne, onregelmatige schijven af.
Een kwestie van timing
Het duurt ongeveer een miljoen jaar voordat een witte dwerg genoeg materiaal heeft verzameld om de Chandrasekhar-limiet te bereiken. Een AGB-ster verliest daarentegen relatief snel veel materie; de protoplanetaire nevelfase is van voorbijgaande aard en duurt slechts enkele honderden of duizenden jaren voordat de afgeblazen materie verdwijnt. "Het is een klein venster", zegt Wang, niet lang genoeg om de overgebleven kern (zelf een witte dwerg) weer voldoende materiaal te laten opnemen om te laten ontploffen.
Het is dus waarschijnlijker dat een witte dwerggenoot in het SN 2002-systeem al bezig was met het verzamelen van materie lang voordat de nevel zich vormde. Omdat de protoplanetaire fase slechts een paar honderd jaar duurt, en ervan uitgaande dat een type Ia-supernova doorgaans een miljoen jaar duurt om te evolueren, wordt verwacht dat slechts ongeveer een duizendste van alle type Ia-supernovae op SN 2002ic lijkt. Nog minder zullen zijn specifieke spectrale en polarimetrische kenmerken vertonen, hoewel "het buitengewoon interessant zou zijn om te zoeken naar andere Type Ia-supernova's met circumstellaire materie", zegt Wang.
Desalniettemin, zegt Dietrich Baade, hoofdonderzoeker van het polarimetrieproject dat de VLT gebruikte, "het is de veronderstelling dat alle Type Ia-supernova's in feite hetzelfde zijn waardoor de waarnemingen van SN 2002ic verklaard kunnen worden."
Binaire systemen met verschillende orbitale kenmerken en verschillende soorten metgezellen in verschillende stadia van stellaire evolutie kunnen door het accretiemodel nog steeds tot vergelijkbare explosies leiden. Baade merkt op: "Het ogenschijnlijk eigenaardige geval van SN 2002ic bewijst sterk dat deze objecten in feite sterk op elkaar lijken, zoals de verbluffende gelijkenis van hun lichtkrommen suggereert."
Door de verdeling van het gas en stof te laten zien, heeft spectropolarimetrie aangetoond waarom Type Ia supernovae zoveel op elkaar lijken, ook al kunnen de massa's, leeftijden, evolutionaire toestanden en banen van hun voorlopersystemen zo sterk verschillen.
Het Berkeley Lab is een nationaal laboratorium van het Amerikaanse Department of Energy in Berkeley, Californië. Het doet niet-geclassificeerd wetenschappelijk onderzoek en wordt beheerd door de University of California. Bezoek onze website op http://www.lbl.gov.
Oorspronkelijke bron: Berkeley Lab News Release
