Figur 1:En konstnärs uppfattning om ett singeldegenererat supernovascenario av typ Ia. På grund av den starkare gravitationskraften från den vita dvärgen till vänster, det yttre materialet av det större, svagt utvecklande huvudsekvensstjärna till höger rivs bort och rinner ut på den vita dvärgen, så småningom öka massan av den vita dvärgen mot Chandrasekhar-massan. Denna vita dvärg med kol-syre kommer senare att explodera som en supernova av typ Ia. Kredit:Kavli IPMU
Forskare har funnit att vita dvärgstjärnor med massor nära den maximala stabila massan (kallad Chandrasekhar-massan) sannolikt kommer att producera stora mängder mangan, järn, och nickel efter att de kretsar runt en annan stjärna och exploderar som supernovor av typ Ia.
En supernova av typ Ia är en termonukleär explosion av en kol-syre vit dvärgstjärna med en sällskapsstjärna som kretsar runt den, även känt som ett binärt system. I universum, Typ Ia supernovor är de huvudsakliga produktionsplatserna för järntoppselement, inklusive mangan, järn, och nickel, och några element av mellanmassa inklusive kisel och svavel.
Dock, forskare idag kan inte komma överens om vilken typ av binära system som får en vit dvärg att explodera. Dessutom, nyligen omfattande observationer har avslöjat en stor mångfald av nukleosyntesprodukter, skapandet av nya atomkärnor från de befintliga kärnorna i stjärnan genom kärnfusion, av supernovor av typ Ia och deras rester, särskilt, mängden mangan, stabil nickel, och radioaktiva isotoper av 56-nickel och 57-nickel.
För att avslöja ursprunget till sådana olikheter, Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Projektforskare Shing-Chi Leung och seniorforskare Ken'ichi Nomoto genomförde simuleringar med det mest exakta schemat hittills för multidimensionell hydrodynamik av supernovamodeller av typ Ia. De undersökte hur kemiska överflödsmönster och skapandet av nya atomkärnor från befintliga nukleoner beror på vita dvärgs egenskaper och deras stamfader.
Figur 2:Färgdiagrammet för temperaturfördelningen för riktmärket Typ Ia supernovamodell vid cirka 1 sekund efter explosionen. Deflagrationsmodellen med deflagrations-detonationsövergång används för att producera detta resultat. Kredit:Leung et al
"Den viktigaste och mest unika delen av denna studie är att detta hittills är den största parameterundersökningen i parameterutrymmet för Typ Ia-supernovautbytet med hjälp av Chandrasekhar-massans vita dvärg, " sa Leung.
Ett särskilt intressant fall var supernovaresten 3C 397. 3C 397 ligger i galaxen cirka 5,5 kpc från centrum på den galaktiska skivan. Dess överflödsförhållanden av stabil mangan/järn och nickel/järn visade sig vara två respektive fyra gånger solens. Leung och Nomoto fann överflödsförhållandena bland mangan, järn och nickel är känsliga för vit dvärgmassa och metallicitet (hur rikligt det finns i grundämnen som är tyngre än väte och helium). De uppmätta värdena för 3C 397 kan förklaras om den vita dvärgen har en massa lika hög som Chandrasekhar-massan och hög metallicitet.
Resultaten tyder på att rest 3C 397 inte kunde vara resultatet av en explosion av en vit dvärg med relativt låg massa (en sub-Chandrasekhar-massa). Dessutom, den vita dvärgen bör ha en metallicitet högre än solens metallicitet, i motsats till grannstjärnorna som har en typiskt lägre metallicitet.
Figur 3:Fördelningar av representativa element utstötningshastighet i den typiska supernovan av typ Ia efter att alla större kärnreaktioner har avslutats. Färger representerar de platser där motsvarande element produceras. Pilen indikerar utmatningsrörelsen. Kredit:Leung et al.
Det ger viktiga ledtrådar till den kontroversiella diskussionen om huruvida den vita dvärgens massa är nära Chandrasekhar-massan, eller sub-Chandrasekhar-mässa, när den exploderar som en typ Ia supernova.
Figur 4:57Ni mot 56Ni för modellerna som presenteras i detta arbete. De observerade data från Type Ia supernova SN 2012cg ingår också. Datapunkterna längs linjen i den beskrivna riktningen står för vita dvärgmodeller av massor från 1,30 respektive 1,38 solmassa. Kredit:Leung et al.
Resultaten kommer att vara användbara i framtida studier av kemisk utveckling av galaxer för ett brett spektrum av metalliciteter, och uppmuntra forskare att inkludera supersolar metallicitetsmodeller som en komplett uppsättning stjärnmodeller.
Leung säger att nästa steg i denna studie skulle innebära att ytterligare testa sin modell med mer observationsdata, och att utöka den till en annan underklass av typ Ia supernovor.
Figur 5:Röntgen, optisk &infraröd sammansatt bild av 3C 397. Kredit:Röntgen:NASA/CXC/Univ of Manitoba/S.Safi-Harb et al, Optisk:DSS, Infraröd:NASA/JPL-Caltech
Dessa resultat publicerades i numret av den 10 juli Astrofysisk tidskrift .
Figur 6:Massförhållande Mn/Fe mot Ni/Fe för de modeller som presenteras i detta arbete. De observerade data från typ Ia supernovarest 3C 397 ingår också. Datapunkterna längs linjen i den beskrivna riktningen står för vita dvärgmodeller av massor från 1,30 respektive 1,38 solmassa. Kredit:Leung et al.
