Astronomer fortsätter att se chockvågorna expandera från Supernova SN1987A när de kraschar in i det omgivande interstellära mediet
När stjärnor når slutet av sin livscykel kommer många att blåsa av sina yttre lager i en explosiv process som kallas en supernova. Medan astronomer har lärt sig mycket om detta fenomen, tack vare sofistikerade instrument som kan studera dem i flera våglängder, finns det fortfarande mycket som vi inte vet om supernovor och deras rester.
Till exempel finns det fortfarande olösta frågor om mekanismerna som driver de resulterande stötvågorna från en supernova. Emellertid använde ett internationellt team av forskare nyligen data som erhållits av Chandra X-Ray Observatory av en närliggande supernova (SN1987A) och nya simuleringar till mäta temperaturen av atomerna i den resulterande chockvågen.
Studien, med titeln ' Kollisionsfri stötuppvärmning av tunga joner i SN 1987A ', dök nyligen upp i den vetenskapliga tidskriftenNatur.Teamet leddes av Marco Miceli och Salvatore Orlando från University of Palermo, Italien, och bestod av medlemmar från National Institute of Astrophysics (INAF), den Institutet för tillämpade problem i mekanik och matematik , och Pennsylvania State och Northwestern University.
Den expanderande ringformade kvarlevan av SN 1987A och dess interaktion med dess omgivning, sett i röntgen och synligt ljus. Kredit: Wikipedia Commons
För sin studies skull kombinerade teamet Chandra-observationer av SN 1987A med simuleringar för att mäta temperaturen på atomerna i supernovans chockvåg. Därmed bekräftade teamet att temperaturen på atomerna är relaterad till deras atomvikt, ett resultat som svarar på en långvarig fråga om stötvågor och mekanismerna som driver dem.
Som David Burrows, professor i astronomi och astrofysik vid Penn State och medförfattare till studien, sa i en Penn State pressmeddelande :
'Supernovaexplosioner och deras rester ger kosmiska laboratorier som gör det möjligt för oss att utforska fysiken under extrema förhållanden som inte kan dupliceras på jorden. Moderna astronomiska teleskop och instrumentering, både markbaserade och rymdbaserade, har gjort det möjligt för oss att utföra detaljerade studier av supernovarester i vår galax och närliggande galaxer. Vi har utfört regelbundna observationer av supernovaresterna SN1987A med hjälp av NASA:s Chandra X-ray Observatory, det bästa röntgenteleskopet i världen, sedan kort efter att Chandra lanserades 1999, och använt simuleringar för att svara på långvariga frågor om stötvågor.'
När större stjärnor genomgår gravitationskollaps driver den resulterande explosionen materialet utåt med hastigheter på upp till en tiondel av ljusets hastighet och trycker in chockvågor i den omgivande interstellära gasen. Där stötvågen möter den långsamt rörliga gasen som omger stjärnan har du 'chockfronten'. Denna övergångszon värmer den kalla gasen till miljontals grader och leder till emission av röntgenstrålar som kan observeras.
Sammansatt bild av supernova 1987A. ALMA-data (i rött) visar nybildat damm i mitten av resterna. HST (i grönt) och Chandra (i blått) visar den expanderande stötvågen. Kredit: R. Indebetouw et. al, A. Angelich (NRAO/AUI/NSF); NASA/STScI/CfA/R. Kirshner; NASA/CXC/SAO/PSU/D. Burrows et al.
Under en tid har astronomer varit intresserade av denna region av en supernovas chockvåg, eftersom den markerar övergången mellan den explosiva kraften hos en döende stjärna och den omgivande gasen. Som Burrows liknade det:
'Övergången liknar den som observeras i en diskbänk när en höghastighetsström av vatten träffar diskbänken och flyter mjukt utåt tills den plötsligt hoppar i höjdled och blir turbulent. Stötfronter har studerats omfattande i jordens atmosfär, där de förekommer över ett extremt smalt område. Men i rymden är chockövergångar gradvisa och kanske inte påverkar atomer av alla element på samma sätt.'
Genom att undersöka temperaturen hos olika element bakom en supernovas chockfront hoppas astronomer förbättra vår förståelse av chockprocessens fysik. Även om elementens temperaturer har förväntats vara proportionella mot deras atomvikt, har det varit svårt att få exakta mätningar. Tidigare studier har inte bara lett till motstridiga resultat, de har också misslyckats med att ta med de tunga elementen i sina analyser.
För att ta itu med detta tittade teamet på Supernova SN1987A, som ligger i det stora magellanska molnet och först blev uppenbart 1987. Förutom att den var den första supernovan som var synlig för blotta ögat sedan Keplers supernova (1604), var den först att studeras i ljusets alla våglängder (från radiovågor till röntgenstrålar och gammavågor) med moderna teleskop.
Medan tidigare modeller av SN 1987A vanligtvis har förlitat sig på enstaka observationer, använde forskargruppen tredimensionella numeriska simuleringar för att visa supernovans utveckling. De jämförde sedan dessa med röntgenobservationer från Chandra för att exakt mäta atomtemperaturerna, vilket bekräftade deras förväntningar.
'Vi kan nu noggrant mäta temperaturen för element så tunga som kisel och järn, och har visat att de verkligen följer förhållandet att temperaturen för varje grundämne är proportionell mot atomvikten för det elementet,' sa Burrows. 'Detta resultat löser en viktig fråga i förståelsen av astrofysiska chockvågor och förbättrar vår förståelse av chockprocessen.'
Den här senaste studien representerar ett viktigt steg för astronomer och för dem närmare en förståelse av mekaniken i en supernova. Genom att låsa upp deras hemligheter kan vi lära oss mer om en process som är grundläggande för kosmisk evolution, vilket är hur stjärnors död påverkar det omgivande universum.
Vidare läsning: Penn State , Natur