Die Entdeckung der Dunklen Energie, einer mysteriösen Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigt, basierte auf Beobachtungen von Supernovae vom Typ 1a, und diese Sternexplosionen wurden lange Zeit als „Standardkerzen“ zur Messung der Expansion verwendet. Eine neue Studie enthüllt Variabilitätsquellen in diesen Supernovae. Um die Natur der Dunklen Energie genau zu untersuchen und festzustellen, ob sie über die Zeit konstant oder variabel ist, müssen Wissenschaftler einen Weg finden, kosmische Entfernungen mit viel größerer Präzision zu messen als in die Vergangenheit.
"Wenn wir mit der nächsten Generation von kosmologischen Experimenten beginnen, werden wir Supernovae vom Typ 1a als sehr empfindliche Entfernungsmaße verwenden wollen", sagte der Hauptautor Daniel Kasen über eine Studie, die diese Woche in Nature veröffentlicht wurde. „Wir wissen, dass sie nicht alle die gleiche Helligkeit haben, und wir haben Möglichkeiten, dies zu korrigieren, aber wir müssen wissen, ob es systematische Unterschiede gibt, die die Entfernungsmessungen beeinflussen würden. In dieser Studie wurde untersucht, was diese Helligkeitsunterschiede verursacht. “
Kasen und seine Mitautoren - Fritz Röpke vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching und Stan Woosley, Professor für Astronomie und Astrophysik an der UC Santa Cruz - verwendeten Supercomputer, um Dutzende von Simulationen von Typ-1a-Supernovae durchzuführen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Großteil der in diesen Supernovae beobachteten Diversität auf die chaotische Natur der beteiligten Prozesse und die daraus resultierende Asymmetrie der Explosionen zurückzuführen ist.
Zum größten Teil würde diese Variabilität keine systematischen Fehler in Messstudien hervorrufen, solange die Forscher eine große Anzahl von Beobachtungen verwenden und die Standardkorrekturen anwenden, sagte Kasen. Die Studie fand einen kleinen, aber möglicherweise besorgniserregenden Effekt, der sich aus systematischen Unterschieden in der chemischen Zusammensetzung von Sternen zu verschiedenen Zeitpunkten in der Geschichte des Universums ergeben könnte. Forscher können die Computermodelle jedoch verwenden, um diesen Effekt weiter zu charakterisieren und Korrekturen dafür zu entwickeln.
Eine Supernova vom Typ 1a tritt auf, wenn ein weißer Zwergstern zusätzliche Masse erhält, indem Materie von einem Begleitstern weggesaugt wird. Wenn es eine kritische Masse erreicht - das 1,4-fache der Masse der Sonne, gepackt in ein Objekt von der Größe der Erde -, lösen die Hitze und der Druck im Zentrum des Sterns eine außer Kontrolle geratene Kernfusionsreaktion aus, und der Weiße Zwerg explodiert. Da die Anfangsbedingungen in allen Fällen ungefähr gleich sind, haben diese Supernovae tendenziell die gleiche Leuchtkraft und ihre „Lichtkurven“ (wie sich die Leuchtkraft im Laufe der Zeit ändert) sind vorhersehbar.
Einige sind an sich heller als andere, aber diese flackern und verblassen langsamer, und diese Korrelation zwischen der Helligkeit und der Breite der Lichtkurve ermöglicht es Astronomen, eine Korrektur anzuwenden, um ihre Beobachtungen zu standardisieren. So können Astronomen die Lichtkurve einer Supernova vom Typ 1a messen, ihre Eigenhelligkeit berechnen und dann bestimmen, wie weit sie entfernt ist, da die scheinbare Helligkeit mit der Entfernung abnimmt (so wie eine Kerze in der Ferne dunkler erscheint als in der Nähe). .
Die Computermodelle, mit denen diese Supernovae in der neuen Studie simuliert wurden, basieren auf dem aktuellen theoretischen Verständnis, wie und wo der Zündprozess im Weißen Zwerg beginnt und wo er den Übergang von der langsam brennenden Verbrennung zur explosiven Detonation vollzieht.
Die Simulationen zeigten, dass die Asymmetrie der Explosionen ein Schlüsselfaktor für die Helligkeit von Supernovae vom Typ 1a ist. "Der Grund, warum diese Supernovae nicht alle die gleiche Helligkeit haben, hängt eng mit diesem Bruch der Kugelsymmetrie zusammen", sagte Kasen.
Die dominierende Quelle für Variabilität ist die Synthese neuer Elemente während der Explosionen, die empfindlich auf Unterschiede in der Geometrie der ersten Funken reagiert, die einen thermonuklearen Ausreißer im siedenden Kern des Weißen Zwergs entzünden. Nickel-56 ist besonders wichtig, da der radioaktive Zerfall dieses instabilen Isotops das Nachleuchten erzeugt, das Astronomen nach der Explosion für Monate oder sogar Jahre beobachten können.
„Der Zerfall von Nickel-56 treibt die Lichtkurve an. Die Explosion ist in Sekundenschnelle vorbei. Wir sehen also, wie das Nickel die Trümmer erwärmt und wie die Trümmer Licht ausstrahlen “, sagte Kasen.
Kasen entwickelte den Computercode, um diesen Strahlungstransferprozess zu simulieren. Dabei wurden die Ergebnisse der simulierten Explosionen verwendet, um Visualisierungen zu erstellen, die direkt mit astronomischen Beobachtungen von Supernovae verglichen werden können.
Die gute Nachricht ist, dass die in den Computermodellen beobachtete Variabilität mit Beobachtungen von Supernovae vom Typ 1a übereinstimmt. „Am wichtigsten ist, dass die Breite und die maximale Leuchtkraft der Lichtkurve so korrelieren, dass sie mit den Ergebnissen der Beobachter übereinstimmen. Die Modelle stimmen also mit den Beobachtungen überein, auf denen die Entdeckung der Dunklen Energie beruhte “, sagte Woosley.
Eine weitere Quelle für Variabilität ist, dass diese asymmetrischen Explosionen aus verschiedenen Blickwinkeln unterschiedlich aussehen. Dies kann Helligkeitsunterschiede von bis zu 20 Prozent erklären, sagte Kasen, aber der Effekt ist zufällig und erzeugt Streuung in den Messungen, die durch Beobachtung einer großen Anzahl von Supernovae statistisch reduziert werden kann.
Das Potenzial für systematische Verzerrungen ergibt sich hauptsächlich aus der Variation der anfänglichen chemischen Zusammensetzung des weißen Zwergsterns. Bei Supernova-Explosionen werden schwerere Elemente synthetisiert, und Trümmer dieser Explosionen werden in neue Sterne eingebaut. Infolgedessen enthalten kürzlich gebildete Sterne wahrscheinlich schwerere Elemente (höhere „Metallizität“ in der Terminologie der Astronomen) als in der fernen Vergangenheit gebildete Sterne.
"So etwas erwarten wir im Laufe der Zeit. Wenn Sie also entfernte Sterne betrachten, die viel früheren Zeiten in der Geschichte des Universums entsprechen, haben sie tendenziell eine geringere Metallizität", sagte Kasen. "Als wir den Effekt in unseren Modellen berechneten, stellten wir fest, dass die resultierenden Fehler bei Entfernungsmessungen in der Größenordnung von 2 Prozent oder weniger liegen würden."
Weitere Studien unter Verwendung von Computersimulationen werden es Forschern ermöglichen, die Auswirkungen solcher Variationen detaillierter zu charakterisieren und ihre Auswirkungen auf zukünftige Experimente mit dunkler Energie zu begrenzen, was möglicherweise eine Genauigkeit erfordert, die Fehler von 2 Prozent inakzeptabel macht.
Quelle: EurekAlert
