Kun tähdet saavuttavat elinkaarensa lopun, monet räjäyttävät ulkokerroksensa räjähtävässä prosessissa, jota kutsutaan supernovaksi. Vaikka tähtitieteilijät ovat oppineet paljon näistä ilmiöistä, hienostuneiden instrumenttien ansiosta, jotka kykenevät tutkimaan niitä useilla aallonpituuksilla, on silti paljon, mitä emme tiedä supernoovista ja niiden jäännöksistä.
Esimerkiksi, on edelleen ratkaisematta jääviä kysymyksiä mekanismeista, jotka saavat aikaan tuloksena olevat aaltoalueet supernoovasta. Kansainvälinen tutkijaryhmä kuitenkin käytti äskettäin läheisen supernovan Chandra-röntgen observatorion (SN1987A) saamia tietoja ja uusia simulaatioita atomien lämpötilan mittaamiseksi tuloksena olevassa iskuaallossa.
Tutkimus, jonka otsikko on ”Raskaiden ionien törmäysvapaa lämmitys SN 1987A: ssa”, ilmestyi äskettäin tieteellisessä lehdessä Nature. Ryhmää johtivat Marco Miceli ja Salvatore Orlando Palermon yliopistosta Italiasta. Ryhmä koostui kansallisen astrofysiikan instituutin (INAF), mekaniikan ja matematiikan sovellettavien ongelmien instituutin sekä Pennsylvanian osavaltion ja Luoteisen yliopiston jäsenistä. .
Tutkimuksensa vuoksi ryhmä yhdisti SN 1987A: n Chandran havainnot simulaatioilla supernovan iskuaallon atomien lämpötilan mittaamiseksi. Näin tehdessään ryhmä vahvisti, että atomien lämpötila on suhteessa niiden atomipainoon, mikä johtaa vastaukseen pitkäaikaiseen kysymykseen iskuaalloista ja niitä käyttävistä mekanismeista.
Kuten Penn Staten tähtitieteen ja astrofysiikan professori ja tutkimuksen avustaja David Burrows sanoi Penn Staten lehdistötiedotteessa:
”Supernovan räjähdykset ja niiden jäännökset tarjoavat kosmisia laboratorioita, joiden avulla voimme tutkia fysiikkaa äärimmäisissä olosuhteissa, joita ei voida kopioida maapallolla. Nykyaikaiset tähtitieteelliset kaukoputket ja instrumentointi, sekä maa- että avaruuspohjaiset, ovat antaneet meille mahdollisuuden suorittaa yksityiskohtaisia tutkimuksia supernovien jäännöksistä galaksissamme ja lähellä olevissa galakseissa. Olemme suorittaneet säännöllisiä supernoovan jäännöksen SN1987A havainnointeja NASA: n Chandran röntgen observatoriossa, joka on maailman paras röntgen kaukoputki, sillä pian sen jälkeen kun Chandra avattiin vuonna 1999, ja olemme käyttäneet simulaatioita vastatakseen pitkäaikaisiin iskuaalloja koskeviin kysymyksiin. ”
Kun suurempiin tähtiin kohdistuu painovoima romahtaessaan, syntyvä räjähdys ajaa materiaalia ulospäin nopeudella, joka on jopa kymmenesosa valon nopeudesta, työntäen iskuaallot ympäröivään tähteiden väliseen kaasuun. Jos iskuaalto kohtaa tähtiä ympäröivää hitaasti liikkuvaa kaasua, sinulla on ”shokki edessä”. Tämä siirtymävyöhyke lämmittää viileän kaasun miljooniin asteisiin ja johtaa havaittavissa oleviin röntgensäteisiin.
Tähtitieteilijät ovat jo jonkin aikaa olleet kiinnostuneita tästä supernoovan iskuaallon alueesta, koska se merkitsee siirtymistä kuolleen tähden räjähtävän voiman ja ympäröivän kaasun välillä. Kuten Burrows vertasi sitä:
”Siirtyminen on samanlainen kuin keittiön pesuallasessa havaittu siirtyminen, kun nopea vesivirta osuu pesualtaan vesivirtaan tasaisesti ulospäin, kunnes se hyppää äkillisesti korkeuteen ja muuttuu turbulenssiksi. Sokkirintamaita on tutkittu laajasti maan ilmakehässä, missä niitä esiintyy erittäin kapealla alueella. Mutta avaruudessa shokkisiirtymät ovat asteittaisia eivätkä välttämättä vaikuta kaikkien elementtien atomiin samalla tavalla. ”
Tutkimalla supernovan sokkiprofiilin takana olevien eri elementtien lämpötiloja, tähtitieteilijät toivovat parantavan ymmärrystämme sokkiprosessin fysiikasta. Vaikka alkuaineiden lämpötilojen on arvioitu olevan suhteessa niiden atomipainoon, tarkkojen mittausten saaminen on ollut vaikeaa. Aikaisemmat tutkimukset eivät ole johtaneet ristiriitaisiin tuloksiin, vaan myös epäonnistuneet sisällyttämään raskaita elementtejä analyyseihin.
Tämän ratkaisemiseksi ryhmä katsoi Supernova SN1987A: ta, joka sijaitsee suuressa Magellanin pilvessä ja ilmestyi ensimmäisen kerran vuonna 1987. Sen lisäksi, että se oli ensimmäinen paljain silmin nähty supernova Keplerin Supernovan (1604) jälkeen, se oli myös ensin tutkittava kaikilla valon aallonpituuksilla (radioaalloista röntgensäteisiin ja gamma-aaltoihin) nykyaikaisilla kaukoputkilla.
Kun SN 1987A: n aikaisemmat mallit ovat tyypillisesti luottaneet yksittäisiin havaintoihin, tutkimusryhmä käytti kolmiulotteisia numeerisia simulaatioita osoittamaan supernoovan evoluutio. Sitten he vetivät näitä röntgenhavaintoihin, jotka Chandra antoi atomien lämpötilojen tarkasta mittaamiseksi, mikä vahvisti heidän odotuksensa.
"Voimme nyt mitata tarkasti niin raskaiden elementtien kuin piin ja raudan lämpötilat ja olemme osoittaneet, että ne todellakin seuraavat suhdetta, jonka mukaan kunkin elementin lämpötila on verrannollinen kyseisen elementin atomipainoon", sanoi Burrows. "Tämä tulos ratkaisee tärkeän kysymyksen astrofysikaalisten sokki-aaltojen ymmärtämisessä ja parantaa ymmärrystämme sokkiprosessista."
Tämä viimeisin tutkimus edustaa merkittävää askelta tähtitieteilijöille, tuomalla heidät lähemmäksi ymmärtämistä supernovan mekaniikasta. Avaamalla heidän salaisuutensa, meillä on mahdollisuus oppia lisää prosessista, joka on perustavanlaatuinen kosmiselle evoluutiolle. Tähtien kuolema vaikuttaa ympäröivään maailmankaikkeuteen.
