En ny metod för att mäta temperaturen på atomer under en stjärnas explosiva död kommer att hjälpa forskare att förstå chockvågen som uppstår som ett resultat av denna supernovaexplosion. Ett internationellt team av forskare, inklusive en Penn State-forskare, kombinerade observationer av en närliggande supernovarest – strukturen som finns kvar efter en stjärnas explosion – med simuleringar för att mäta temperaturen på långsamt rörliga gasatomer som omger stjärnan när de värms upp av materialet som drivs utåt av explosionen.

Forskargruppen analyserade långtidsobservationer av den närliggande supernovaresten SN1987A med hjälp av NASA:s Chandra X-ray Observatory och skapade en modell som beskriver supernovan. Teamet bekräftade att temperaturen hos även de tyngsta atomerna - som ännu inte hade undersökts - är relaterad till deras atomvikt, svara på en långvarig fråga om stötvågor och ge viktig information om deras fysiska processer. Ett papper som beskriver resultaten publiceras den 21 januari, 2019, i journalen Natur astronomi .

"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, sa David Burrows, professor i astronomi och astrofysik vid Penn State och författare till tidningen. "Moderna astronomiska teleskop och instrumentering, både markbaserad och rymdbaserad, har tillåtit 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 använde simuleringar för att svara på långvariga frågor om stötvågor."

Den explosiva döden av en massiv stjärna som SN1987A driver material utåt med hastigheter på upp till en tiondel av ljusets hastighet, trycker in chockvågor i den omgivande interstellära gasen. Forskare är särskilt intresserade av chockfronten, den abrupta övergången mellan den överljudsexplosionen och den relativt långsamt rörliga gasen som omger stjärnan. Stötfronten värmer denna svala långsamt rörliga gas till miljontals grader - temperaturer som är tillräckligt höga för att gasen ska avge röntgenstrålar som kan detekteras från jorden.

"Övergången liknar den som observeras i en diskbänk när en höghastighetsström av vatten träffar diskbänken, flyter mjukt utåt tills den plötsligt hoppar i höjdled och blir turbulent, ", sade Burrows. "Chockfronter har studerats omfattande i jordens atmosfär, där de förekommer över ett extremt smalt område. Men i rymden, chockövergångar är gradvisa och kanske inte påverkar atomer av alla element på samma sätt."

Forskargruppen, ledd av Marco Miceli och Salvatore Orlando vid University of Palermo, Italien, mätte temperaturen på olika element bakom stötdämparen, vilket kommer att förbättra förståelsen av chockprocessens fysik. Dessa temperaturer förväntas vara proportionella mot grundämnenas atomvikt, men temperaturerna är svåra att mäta exakt. Tidigare studier har lett till motstridiga resultat angående detta förhållande, och har misslyckats med att inkludera tunga grundämnen med hög atomvikt. Forskargruppen vände sig till supernova SN1987A för att hjälpa till att lösa detta dilemma.

Supernova SN1987A, som ligger i den närliggande stjärnbilden som kallas Stora Magellanska molnet, var den första supernovan som var synlig för blotta ögat sedan Keplers supernova 1604. Den är också den första som studerades i detalj med moderna astronomiska instrument. Ljuset från dess explosion nådde jorden först den 23 februari, 1987, och sedan dess har det observerats vid ljusets alla våglängder, från radiovågor till röntgenstrålar och gammavågor. Forskargruppen använde dessa observationer för att bygga en modell som beskriver supernovan.

Modeller av SN1987A har vanligtvis fokuserat på enstaka observationer, men i denna studie, forskarna använde tredimensionella numeriska simuleringar för att införliva supernovans utveckling, från dess början till nuvarande ålder. En jämförelse av röntgenobservationerna och modellen gjorde det möjligt för forskarna att noggrant mäta atomtemperaturer för olika element med ett brett spektrum av atomvikter, och att bekräfta sambandet som förutsäger temperaturen som uppnås av varje typ av atom i den interstellära gasen.

"Vi kan nu noggrant mäta temperaturen på element så tunga som kisel och järn, och har visat att de verkligen följer förhållandet att temperaturen för varje grundämne är proportionell mot grundämnets atomvikt, ", sa Burrows. "Detta resultat löser en viktig fråga i förståelsen av astrofysiska chockvågor och förbättrar vår förståelse av chockprocessen."