Stjärnor som exploderar som supernovor är de viktigaste källorna till tunga kemiska grundämnen i universum. Särskilt, radioaktiva atomkärnor syntetiseras i heta, innersta områden under explosionen och kan därmed fungera som sonder av de oobserverbara fysiska processer som initierar sprängningen. Med hjälp av komplicerade datorsimuleringar, ett team av forskare från Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) och RIKEN i Japan kunde förklara de nyligen uppmätta rumsliga fördelningarna av radioaktivt titan och nickel i Cassiopeia A, en ungefär 340 år gammal gasformig rest av en närliggande supernova. Datormodellerna ger starkt stöd för den teoretiska idén att sådana stjärndödshändelser kan initieras och drivs av neutriner som flyr från neutronstjärnan som lämnades kvar vid ursprunget till explosionen.

Massiva stjärnor avslutar sina liv i gigantiska explosioner, så kallade supernovor. Inom miljontals år av stabil evolution, dessa stjärnor har byggt upp en central kärna bestående av mestadels järn. När kärnan når cirka 1,5 gånger solens massa, den kollapsar under påverkan av sin egen gravitation och bildar en neutronstjärna. Enorma mängder energi frigörs i denna katastrofala händelse, mestadels genom utsläpp av neutriner. Dessa nästan masslösa elementarpartiklar produceras rikligt i det inre av den nyfödda neutronstjärnan, där densiteten är högre än i atomkärnor och temperaturen kan nå 500 miljarder grader Kelvin.

De fysiska processerna som utlöser och driver explosionen har varit ett olöst pussel i mer än 50 år. En av de teoretiska mekanismerna som föreslagits åberopar neutrinos, eftersom de bär bort mer än hundra gånger den energi som behövs för en typisk supernova. När neutrinerna läcker ut från neutronstjärnans varma inre, en liten del av dem absorberas i den omgivande gasen. Denna uppvärmning orsakar våldsamma rörelser av gasen, liknande de i en kastrull med kokande vatten. När bubblandet av gasen blir tillräckligt kraftigt, supernovaexplosionen sätter in som om locket till krukan blåst av. De yttre lagren av den döende stjärnan drivs sedan ut i det cirkumstellära rymden, och med dem alla de kemiska grundämnen som stjärnan har satt ihop genom kärnbränning under sin livstid. Men också nya element skapas i explosionens heta utkast, bland dem radioaktiva arter som titan (44Ti med 22 protoner och 22 neutroner) och nickel (56Ni med 28 neutroner och protoner vardera), som sönderfaller till stabilt kalcium och järn, respektive. Den radioaktiva energin som på så sätt frigörs får supernovan att lysa starkt i många år.

På grund av den vilda kokningen av den neutrinouppvärmda gasen, sprängvågen börjar icke-sfäriskt och avtrycker en storskalig asymmetri på den utstötta stjärnmaterian och supernovan som helhet (Fig. 1), i överensstämmelse med observationen av klumpighet och asymmetri i många supernovor och deras gasformiga rester. Explosionens initiala asymmetri har två omedelbara konsekvenser. Å ena sidan, neutronstjärnan får ett rekylmomentum motsatt riktningen för den starkare explosionen, där supernovagasen drivs ut med mer våld. Denna effekt liknar kicken en roddbåt får när en passagerare hoppar av. Å andra sidan, produktion av tunga grundämnen från kisel till järn, i synnerhet även av titan och nickel, är effektivare i riktningar där explosionen är starkare och där mer materia värms upp till höga temperaturer.

"Vi har förutspått båda effekterna för några år sedan genom våra tredimensionella (3-D) simuleringar av neutrinodrivna supernovaexplosioner", säger Annop Wongwathanarat, forskare vid RIKEN och huvudförfattare till motsvarande publikation 2013, när han arbetade på MPA i samarbete med sina medförfattare H.-Thomas Janka och Ewald Müller. "Asymmetrin hos det radioaktiva ejektet är mer uttalad om neutronstjärnans kick är större", han lägger till. Eftersom de radioaktiva atomkärnorna syntetiseras i supernovans innersta regioner, i mycket nära närhet till neutronstjärnan, deras rumsliga fördelning återspeglar explosionsasymmetrier mest direkt.

Nya observationer av Cassiopeia A (Cas A), den gasformiga kvarlevan av en supernova vars ljus nådde jorden runt år 1680, kunde nu bekräfta denna teoretiska förutsägelse. På grund av sin unga ålder och relativa närhet på ett avstånd av bara 11, 000 ljusår, Cas A erbjuder två stora fördelar för mätningar. Först, det radioaktiva sönderfallet av 44Ti är fortfarande en effektiv energikälla och släpper ut högenergiröntgenstrålning, därför kan närvaron av denna atomkärna kartläggas i 3D med hög precision. Andra, neutronstjärnans hastighet är känd med både dess magnitud och dess riktning på himlens plan. Eftersom neutronstjärnan fortplantar sig med en uppskattad hastighet på minst 350 kilometer per sekund, asymmetrin i den rumsliga fördelningen av de radioaktiva grundämnena förväntas vara mycket uttalad. Exakt detta syns i observationerna (fig. 2a).

Medan den kompakta kvarlevan rusar mot den nedre halvklotet, de största och ljusaste klumparna med de flesta av 44Ti finns i den övre halvan av gasresten. Datorsimuleringen, sedd från en lämpligt vald riktning, uppvisar en slående likhet med observationsbilden (fig. 2b). Detta kan också ses när man jämför 3D-visualiseringen av simuleringarna i Fig. 3 med 3D-avbildningen av Cas A ( www.mpa-garching.mpg.de/452369/news20170621ni ,
www.mpa-garching.mpg.de/452353/news20170621ti ).

Men inte bara de rumsliga fördelningarna av titan och järn liknar dem i Cas A. Även de totala mängderna av dessa grundämnen, deras expansionshastigheter, och neutronstjärnans hastighet överensstämmer häpnadsväckande överens med Cas A. "Denna förmåga att återskapa grundläggande egenskaper hos observationerna bekräftar imponerande att Cas A kan vara en rest av en neutrinodriven supernova med dess våldsamma gasrörelser runt den begynnande neutronstjärna", avslutar H.-Thomas Janka.

Men mer arbete krävs för att äntligen bevisa att explosioner av massiva stjärnor verkligen drivs av energitillförsel från neutriner. "Cas A är ett objekt av så stort intresse och betydelse att vi också måste förstå den rumsliga fördelningen av andra kemiska arter som kisel, argon, neon, och syre", anmärker Ewald Müller, som pekar på den vackra flerkomponentsmorfologin hos Cas A som avslöjas med 3D-bilder. Att bara ha ett exempel är inte heller tillräckligt för att göra ett helt övertygande argument. Därför har teamet gått med i ett större samarbete för att testa de teoretiska förutsägelserna för neutrinodrivna explosioner genom en noggrann analys av ett större urval av unga supernovarester. Steg för steg hoppas forskarna alltså samla bevis för att kunna lösa det långvariga problemet med supernovamekanismen.