Vad gör små fläckar av kiselkarbid stjärndamm, finns i meteoriter och äldre än solsystemet, har det gemensamt med par av åldrande stjärnor som är utsatta för utbrott?

Ett samarbete mellan två forskare från Arizona State University - kosmokemisten Maitrayee Bose och astrofysikern Sumner Starrfield, både från School of Earth and Space Exploration – har avslöjat sambandet och pekat ut vilken typ av stjärnutbrott som producerade stjärndammskornen.

Deras studie har precis publicerats i Astrofysisk tidskrift .

De mikroskopiska kornen av kiselkarbid - tusen gånger mindre än medelbredden på ett människohår - var en del av konstruktionsmaterialen som byggde solen och planetsystemet. Född i nova-utbrott, som är upprepade kataklysmiska utbrott av vissa typer av vita dvärgstjärnor, kiselkarbidkornen finns idag inbäddade i primitiva meteoriter.

"Kiselkarbid är en av de mest motståndskraftiga bitarna som finns i meteoriter, ", sa Bose. "Till skillnad från andra element, dessa stjärndammskorn har överlevt oförändrade från innan solsystemet föddes."

Våldsam förlossning

En stjärna blir en nova — en "ny stjärna" — när den plötsligt ljusnar i många magnituder. Novae förekommer i par av stjärnor där en stjärna är en varm, kompakt kvarleva som kallas en vit dvärg. Den andra är en cool jättestjärna så stor att dess utsträckta yttre atmosfär matar gas till den vita dvärgen. När tillräckligt mycket gas samlas på den vita dvärgen, ett termonukleärt utbrott följer, och stjärnan blir en nova.

Även om kraftfull, utbrottet förstör inte den vita dvärgen eller dess följeslagare, så novaer kan få utbrott om och om igen, upprepade gånger kasta ut i rymden gas och dammkorn som skapades i explosionen. Därifrån smälter stoftkornen samman med moln av interstellär gas för att bli ingredienser i nya stjärnsystem.

Solen och solsystemet föddes för cirka 4,6 miljarder år sedan från just ett sådant interstellärt moln, fröade med dammkorn från tidigare stjärnutbrott av många olika sorters stjärnor. Nästan alla de ursprungliga kornen förbrukades för att göra solen och planeterna, men en liten bråkdel återstod. Idag dessa bitar av stjärndamm, eller presolar korn, kan identifieras i primitiva solsystemmaterial som kondritiska meteoriter.

"Nyckeln som låste upp detta för oss var den isotopiska sammansättningen av stjärndammskornen, ", sa Bose. Isotoper är varianter av kemiska element som har extra neutroner i sina kärnor. "Isotopanalys låter oss spåra de råvaror som kom samman för att bilda solsystemet."

Tillade hon, "Varje kiselkarbidkorn har en signatur av den isotopiska sammansättningen av sin moderstjärna. Detta ger en sond av den stjärnans nukleosyntes - hur den gjorde element."

Bose samlade in publicerade data om tusentals spannmål, och fann att nästan alla korn grupperades naturligt i tre huvudkategorier, var och en kan tillskrivas en eller annan typ av stjärna.

Men det fanns cirka 30 korn som inte kunde spåras tillbaka till ett visst stjärnursprung. I de ursprungliga analyserna, dessa korn flaggades som möjligen härrörande från novaexplosioner.

Men gjorde de det?

Att göra stjärndamm

Som teoretisk astrofysiker, Starrfield använder datorberäkningar och simuleringar för att studera olika typer av stjärnexplosioner. Dessa inkluderar novaer, återkommande novaer, Röntgenskurar och supernovor.

Att arbeta med andra astrofysiker, han utvecklade en datormodell för att förklara det utstötade materialet som sågs i spektrumet av en nova som upptäcktes 2015. Sedan deltog han i ett kollokviertal som Bose höll innan hon började på fakulteten.

"Jag skulle inte ha fullföljt det här om jag inte hade hört Maitrayees tal och sedan haft vår uppföljande diskussion, " sa han. Det drog honom djupare in i detaljerna om novautbrott i allmänhet och vad presolära korn kunde säga om dessa explosioner som kastade dem ut i rymden.

Ett problem uppstod snart. "Efter att ha pratat med henne, " Starrfield sa, "Jag upptäckte att vårt första sätt att lösa problemet inte stämde överens med vare sig de astronomiska observationerna eller hennes resultat.

"Så jag var tvungen att hitta ett sätt att komma runt det här."

Han vände sig till multidimensionella studier av klassiska novaexplosioner och satte ihop ett helt nytt sätt att göra modellberäkningarna.

Det finns två stora sammansättningsklasser av nova, sa Starrfield. "Den ena är syre-neon-klassen som jag har arbetat med i 20 år. Den andra är kol-syre-klassen som jag inte hade ägnat så mycket uppmärksamhet åt." Klassbeteckningarna för novaer kommer från de element som ses i deras spektra.

"Kol-syre-typen producerar mycket damm som en del av själva explosionen, " sa Starrfield. "Tanken är att novaexplosionen når ner i den vita dvärgens kol-syrekärna, att ta upp alla dessa förbättrade och berikade element till en region med höga temperaturer."

Den där, han sa, kan driva en mycket större explosion, lägga till, "Det är riktigt rörigt. Det skjuter ut damm i rankor, lakan, jets, klumpar och klumpar."

Starrfields beräkningar gjorde förutsägelser av 35 isotoper, inklusive de av kol, kväve, kisel, svavel och aluminium, som skulle skapas av kol-syre nova-utbrotten.

Det visade sig att det var absolut nödvändigt att få rätt andel av vit dvärgkärnamaterial och anhopat material från följeslagaren för att simuleringarna skulle fungera. Bose och Starrfield jämförde sedan förutsägelserna med de publicerade sammansättningarna av kiselkarbidkornen.

Detta ledde dem till en något överraskande slutsats. sa Bose, "Vi fann att endast fem av de cirka 30 kornen kunde ha kommit från novaer."

Även om detta kan tyckas vara ett nedslående resultat, forskarna var faktiskt nöjda. Bose sa, "Nu måste vi förklara sammansättningen av kornen som inte kom från nova-utbrott. Det betyder att det finns en helt ny stjärnkälla eller källor att upptäcka."

Titta sedan på den större bilden, tillade hon, "Vi har också funnit att astronomiska observationer, datorsimuleringar och högprecisionslaboratoriemätningar av stjärndammskorn behövs om vi vill förstå hur stjärnor utvecklas. Och det är precis den typen av tvärvetenskaplig vetenskap som skolan briljerar med."