In slechts drie weken na de ontdekking ervan op 21 januari 2014 is er veel geleerd over de nieuwe supernova SN 2014J in Messier 82, het 'sigarenstelsel'. Naast vroege bevestiging op basis van zijn spectrum dat het inderdaad een type Ia-supernova is, wordt nu begrepen dat het de dichtstbijzijnde type Ia-explosie is sinds ons Melkwegstelsel sinds 1986.
Alleen al de unieke nabijheid maakt SN 2014J tot de belangrijkste supernova ooit waargenomen. Het zal van invloed zijn op ons begrip van zowel de type Ia-klasse van supernova's als van het universum als geheel, omdat de grootte, leeftijd en het uiteindelijke lot van ons universum nauw verbonden zijn met waarnemingen van type Ia supernovae, en omdat de precisie waarmee ze kunnen worden toegepast om universele afstanden te schatten, hangt cruciaal af van de dichtstbijzijnde voorbeelden. SN 2014J zal zeer waarschijnlijk het komende decennium het dichtstbijzijnde ankerpunt blijven in de type Ia supernovae-gebaseerde afstandsschaal.
"SN 2014J is de dichtstbijzijnde supernova van dit type en zal ons helpen de uitbreiding van het heelal beter te kalibreren", zegt Adam Riess, medeleider van het Supernova H0 for Equation of State (SHOES) -project en medewinnaar van de Nobelprijs voor de natuurkunde 2011.
Waarnemingen van type Ia supernovae leidden tot de ontdekking dat ons heelal voor het grootste deel uit donkere energie bestaat en dat de expansiesnelheid ervan kennelijk versnelt. Die ontdekking leverde de Nobelprijs voor natuurkunde 2011 op voor Riess, Saul Perlmutter en Brian Schmidt.
Het steeds nauwkeuriger meten van de exacte expansiesnelheid van ons universum is de heilige graal van de kosmologie sinds Hubble's ontdekking van expansie in 1929. Type Ia is perfect voor het onderzoeken van kosmologische schaalafstanden, omdat deze stellaire explosies alleen plaatsvinden wanneer witte dwergsterren een bepaalde kritische massa overschrijden, gelijk aan 1,4 zonsmassa's.
Als gevolg hiervan exploderen de meeste supernova van het type Ia met ongeveer dezelfde intrinsieke of absolute omvang. Ze bieden daarom een uniek soort 'standaardkaars', waardoor elk type Ia-supernova dat honderd keer zwakker is dan het andere, precies tien keer verder dan het andere kan worden begrepen. In de praktijk worden subtiele verschillen tussen werkelijke type Ia supernovae, die gemiddeld ongeveer tien procent bedragen in hun netto effect op afstandsschattingen, in aanmerking genomen. Technisch gezien biedt type Ia supernova "standaardiseerbare kaarsen".
Normale type Ia supernovae zijn goed begrepen. Binnen enkele dagen na de ontdekking kon Robert Quimby van het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe van de University of Tokyo de maximale schijnbare magnitude van m_V = 10,5 en de tijd van de piekhelderheid van 2 februari voor SN 2014J voorspellen, meer dan een week voorafgaand aan hun optreden. Zoals de nu beschikbare waarnemingen aantonen, zoals samengevat in de lichtkromme die beschikbaar is dankzij de American Association of Variable Star Observers, was Quimby's voorspelling op basis van de lichtkrommen van een ander soortgelijk type Ia supernova precies goed (zie figuur 1 hieronder).
Hoewel SN 2014J een normale type Ia supernova is, onthult de lichtcurve dat deze zeer rood is, zoals in gedempt en verduisterd door grote hoeveelheden stof die aanwezig zijn en tussenkomen in het gaststelsel. De hoeveelheid roodheid wordt aangegeven door het verschil tussen de blauwe en de visuele magnitude. Bekend als extinctie, gemeten als E = (B-V), voor SN 2014J bedraagt de extinctie ~ 1,3 mag. Dat is te vergelijken met de volgende dichtstbijzijnde recente type Ia supernova, SN 2011fe in de Messier 101, op 23 miljoen lichtjaar (7,0 Megaparsecs). De lichtcurve laat zien dat de SN 2011fe in vergelijking erg weinig rood was, d.w.z. zowel spectrum als kleur zijn normaal.
De datum van het eerste licht van de SN 2014J-explosie is nu vastgesteld op 14 januari 2002, ongeveer een week voor de ontdekking op 21 januari. Dat werd gemeld in een van de ten minste twee artikelen die al online waren gepubliceerd over SN 2014J, die van WeiKang Zheng et al., en die al is ingediend bij Astrophysical Journal Letters (zie e-print hier). SN 2014J is een van de slechts vier supernova van het type Ia met waarnemingen al één dag na het eerste licht, de andere inclusief SN 2011fe genoemd en SN 2009ig in het sterrenstelsel NGC 1015 op 130 miljoen lichtjaar (41 Megaparsecs) en SN 2013dy in sterrenstelsel NGC 7250 op 46 miljoen lichtjaar (14 megaparsecs).
Twee rivalen voor de meest recente type Ia supernovae, SN 1972E in het sterrenstelsel NGC 5253 en SN 1986G in NGC 5128, het Centaurus A-sterrenstelsel, werden vroeg genoemd. Er wordt echter ook niet beweerd dat ze direct relevant zijn voor het huidige nulpunt van de afstandsschaal, omdat geen van beide moderne, complete, multi-band en multi-epoch observaties heeft, waaronder pre-maximale observaties, die essentieel zijn voor het definiëren van nulpunttype Ia supernovae, en data dat wordt nu verzameld voor SN 2014J. Zo is SN 2002fk in het melkwegstelsel NGC 1309 met 100 miljoen lichtjaar (31 megaparsecs) een van de slechts acht type Ia-supernova's die als nulpuntkalibratoren worden gebruikt, vanwege hun volledige, multi-epoch, multi-band lichtcurve-gegevens, zoals bijvoorbeeld gebruikt door Riess et al. (zie: 2011ApJ… 730..119R).
In termen van welke recente type Ia supernova relatief het dichtst in de buurt was, kunnen de afstanden tot de betrokken sterrenstelsels worden geschat op basis van het analyseren van in wezen alle roodverschuivingsonafhankelijke afstandsschattingen die sinds 1980 voor sterrenstelsels zijn gepubliceerd, wat betekent in het moderne tijdperk met behulp van CCD's inclusief waarnemingen gebaseerd op NASA's Hubble Space Telescope. Dergelijke afstandsschattingen van sterrenstelsels staan in de NASA / IPAC Extragalactic Database of Galaxy Distances (NED-D).
Galaxy Messier 82, de host van SN 2014J, bevindt zich op 12,0 miljoen lichtjaar (3,6 Megaparsecs), gebaseerd op het gemiddelde van drie soorten afstandsindicatoren met 8 verschillende schattingen. De standaarddeviatie tussen die indicatoren is ~ 10%.
Galaxy NGC 5128, de host van SN 1986G, bevindt zich ook op 12,0 miljoen lichtjaar, gebaseerd op 11 verschillende indicatoren die 46 verschillende afstandsschattingen gebruiken, en ook met een standaarddeviatie tussen indicatoren van ~ 10%. Dus, binnen de precisie van de indicatoren, kwamen beide supernova voor op in wezen dezelfde afstand, wat bevestigt dat SN 2014J de dichtstbijzijnde is sinds SN 1986G. Galaxy NGC 5253, de gastheer van SN 1972E, is eigenlijk het dichtstbijzijnde sterrenstelsel, met 11,0 miljoen lichtjaar (3,4 Megaparsecs) waarvan bekend is dat het in het moderne tijdperk een type Ia-supernova heeft gehost, gebaseerd op 6 indicatoren met 48 schattingen.
De verklaring voor het dimmen als gevolg van het stof in Messier 82 is slechts een onderdeel van een aantal dat betrokken is bij het toepassen van gegevens van SN 2014J om de afstand te schatten. Toekomstige waarnemingen van zijn afnemende omvang zullen zijn volledige lichtcurve onthullen. Op die manier kunnen schattingen worden gemaakt van de vervaltijd en de rekfactoren van de lichtcurve. Zodra deze in de hand zijn, zal de SN 2014J binnen enkele tot maximaal enkele weken beginnen met het gebruik als het dichtstbijzijnde type Ia supernova-ankerpunt.
SN 2014J, meer een mijlpaal dan een Rosetta-steen, zal niettemin een impact hebben van blijvende erfenis op toekomstige toepassingen van type Ia supernova-waarnemingen in de kosmologie. Het zal met name van belang zijn om het gebruik van type Ia supernova als kosmologische afstandsindicatoren te verbeteren. Dat is belangrijk voor lopende projecten, waaronder het SHOES-project, het Carnegie Hubble-programma en andere, die allemaal gericht zijn op het meten van de uitdijingssnelheid van het universum of de Hubble-constante met een nauwkeurigheid van beter dan één procent in het komende decennium. Dat niveau van nauwkeurigheid is nodig om niet alleen de exacte grootte en leeftijd van ons universum te begrijpen, maar ook de exacte staatsvergelijking die de totale energie van ons universum regelt, inclusief de donkere energie.
