(a) Nära Chandrasekhar-massexplosioner:I ett binärt system av en vit dvärg som är gjord av kol och syre, masstillväxt från medföljande stjärna (en huvudsekvensstjärna eller röd jätte) orsakar vindar av material från den vita dvärgen, som reglerar masstillväxten på den vita dvärgen, och ökar den vita dvärgmassan. Subsoniska vågor från explosionen i mitten av nära Chandrasekhar massa vit dvärg utlöser en detonation i utkanten. Denna explosion kan producera mycket manganes (Mn) och nickel (Ni) samt järn (Fe). (b) Ett exempel på massexplosioner under Chandrasekhar:I ett binärt system av två vita dvärgar (minst en vit dvärg består av kol och syre), den mindre störs av tidvattenkrafter och smälter samman med den större. En detonation i ett tunt heliumhölje runt den vita dvärgen utlöser en koldetonation i mitten. Denna explosion kan producera mer kisel (Si) och svavel (S), såväl som järn (Fe), och oförbränt kol och syre. Kredit:The Astrophysical Journal
En forskargrupp vid Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) bestående av gästforskaren Chiaki Kobayashi, Projektforskare vid tiden Shing-Chi Leung (för närvarande vid California Institute of Technology), och seniorforskaren Ken'ichi Nomoto har använt datorsimuleringar för att följa explosionen, kärnreaktion, produktion av element, och evolution av elementära överflöd i galaxer. Som ett resultat, de satte stränga begränsningar för ursprunget till supernovor av typ Ia.
En supernova av typ Ia är en typ av supernova som inte är relaterad till döden av en massiv stjärna. Istället, en supernova av typ Ia är en ljusexplosion av en stjärna som inträffar i ett binärt system, där två relativt lågmassa stjärnor utvecklas tillsammans. På grund av deras relativt konstanta ljusstyrka, Typ Ia supernovor har använts som ett standard "ljus" för att mäta universums expansion, ett resultat för vilket 2011 års Nobelpris i fysik delades ut. Dock, stamstjärnan till en typ Ia supernova är okänd, och har varit föremål för debatt i ungefär ett halvt sekel.
"Som vanligt för normala supernovor, Typ Ia supernovor producerar "metaller" - eller, i astronomiska termer, kemiska grundämnen tyngre än väte och helium, det senare paret spårar sitt ursprung till Big Bang - men supernovor av typ Ia producerar olika grundämnen, såsom mangan (Mn), nickel (Ni), och järn (Fe). Dessa elementära överflöd kan mätas i spektrala egenskaper hos närliggande stjärnor, som håller ett "register" över supernovor från det förflutna, som fossiler gör inom arkeologi, ''Kobayashi, som också är docent vid University of Hertfordshire i Storbritannien, sa. Därför, utvecklingen av elementära överflöd i galaxer kan ge en strikt begränsning av det verkliga ursprunget för supernovor av typ Ia.
Stamstjärnorna till supernovor av typ Ia är en typ av vit dvärg som är gjord av kol och syre. Vita dvärgar bildas efter döden av medelstora stjärnor, där elektrondegenerationstrycket stödjer stjärnan mot att kollapsa under dess egen gravitation. Dock, om en vit dvärg överskrider sin övre massgräns – även kallad Chandrasekhar-massgränsen (uppkallad efter fysikern Subrahmanyan Chandrasekhar) – leder detta till kärnreaktioner som får den att explodera.
Därför, i ett binärt system som innehåller en vit dvärg nära Chandrasekhar-massan, masstillväxt från en sällskapsstjärna kan orsaka en explosion, vilket är ett av de två föreslagna scenarierna ("det enda degenererade scenariot") för supernovor av typ Ia. I det andra scenariot, två vita dvärgar bildas i ett binärt system ("det dubbla degenererade scenariot"), som smälter samman för att orsaka en explosion - nämligen en sub-Chandrasekhar-massexplosion.
Utveckling av syre (vänster) och mangan (höger) i Vintergatans solområde. X-axeln visar metalliciteten (järnmängd i förhållande till väte), vilket är en proxy för tiden som ökar från vänster till höger. Y-axeln visar mängden syre och mangan, i förhållande till järn. Punkterna är för de elementära överflöd som observerats i närliggande stjärnor med högupplöst spektroskopi. Från jämförelsen, det har visat sig att minst 75 procent av supernovorna av typ Ia är nära Chandrasekhar-massexplosioner. Kredit:The Astrophysical Journal
För att utreda båda fallen, forskargruppen utför detaljerade beräkningar (2-dimensionella hydrodynamiska simuleringar och nukleosyntes) av både nära-Chandrasekhar-massa och sub-Chandrasekhar-massexplosioner, och beräknade utvecklingen av Vintergatans galax, något som inte hade gjorts i tidigare forskning.
"Mellan dessa två fall, vi finner en kritisk skillnad i utvecklingen av elementära överflöd, särskilt för grundämnet mangan, '' förklarade Kobayashi. I den första simuleringen, explosionen gav material med hög temperatur och hög densitet där mycket mangan producerades, i den andra simuleringen, det fanns inget sådant och därför producerades inte tillräckligt med mangan.
Forskargruppen införlivade sedan produktionsmängden för varje kemiskt element i sin galaxmodell för att förutsäga utvecklingen av grundämnen i Vintergatan. Jämfört med observationsdata, nämligen, elementära överflöd uppmätt i närliggande stjärnor med högupplöst spektroskopi, de fann att minst 75 procent av supernovorna av typ Ia är nära Chandrasekhar-massexplosioner. I båda fallen, forskningen hittade, den producerade järnmassan är ungefär densamma – dvs. 60 procent av solens massa – vilket är ungefär 10 gånger större än i normala supernovor från massiva stjärnor.
"Den kemiska utvecklingen av galaxer är kraftfull för att lösa långvariga problem inom kärnastrofysik. Inte bara mangan utan även nickelförekomster uppdateras i våra beräkningar med de senaste kärnreaktionerna. Nickel överproducerades i tidigare beräkningar, men nu överensstämmer det förutsagda överflödet med observationer, '' tillade Kobayashi. Som ett resultat av deras upptäckter, nickelöverproduktionsproblemet är äntligen löst, efter två decennier av studier.
Mer intressant, forskargruppen visade också att ett större bidrag från sub-Chandrasekhar-massexplosioner föredras framför nära Chandrasekhar-massexplosioner från tillgängliga observationer i olika galaxer - dvärg sfäroidala galaxer runt Vintergatan, till exempel.
Kobayashi och hennes team noterade att de elementära överflöden av miljoner stjärnor kommer att erhållas med pågående och framtida internationella projekt, såsom APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment), HERMES-GALAH (GALActic Archaeology with HERMES), WEAVE (WHT Enhanced Area Velocity Explorer), 4MOST (4-meters Multi-Object Spectroscopic Telescope), MSE (The Maunakea Spectroscopic Explorer), i det nya forskningsområdet "Galaktisk arkeologi, " eller studiet av Vintergatans galaxens historia, och deras resultat kommer att testas ytterligare i framtida forskning.
