Ia tipo supernovų reikšmė kosminių tyrimų kontekste

Ia tipo supernovų svarba kosminių tyrimų srityje

Jau dešimtmečius Ia tipo supernovos laikomos vienu svarbiausių astronomijos tyrimų objektų. Šie kosminiai sprogimai, pasižymintys beveik pastovia šviesio verte, tapo vadinamaisiais „standartiniais žiburiais“, padedančiais nustatyti kosminius atstumus. Matavę šių supernovų vidinį ryškį, astronomai sudarė spartėjančios Visatos plėtros žemėlapį ir atrado tamsiosios energijos įtaką. Vis dėlto išlieka esminis klausimas: kaip tiksliai užsiveda šie supernovų sprogimai?

Bendru sutarimu Ia tipo supernovos gimsta sprogus baltosioms nykštukėms, tačiau pats užsidegimo mechanizmas tebėra aktyviai tiriamas. Paprastai baltoji nykštukė – didelio tankio, iš anglies ir deguonies sudaryta žvaigždės liekana – turi sukaupti pakankamai papildomos masės, kad pasiektų kritinę ribą. Tada vyksta nekontroliuojama branduolinė reakcija, žvaigždė susprogsta. Diskusijos kyla dėl to, kokiu būdu ši papildoma masė kaupiasi.

Baltosios nykštukės: formavimasis ir sprogimo potencialas

Baltosios nykštukės yra itin kompaktiškos, tankios žvaigždžių liekanos, susidarančios žvaigždėms, kurių masė panaši į Saulės. Išnaudojusios visas vandenilio ir helio atsargas branduolinėms reakcijoms, šios žvaigždės praranda išorinius sluoksnius ir palieka švytinčią anglies ir deguonies branduolio liekaną. Paliktos vienos, baltosios nykštukės ilgainiui vėsta, kadangi jų branduolio tankis nepakankamas tolimesniam masyvių elementų susiliejimui.

Visgi daugelis baltųjų nykštukių yra dvejetinėse sistemose – susietos su kitos žvaigždės gravitacija ir gali perimti jos medžiagą. Šis masės perdavimas palaipsniui padidina baltosios nykštukės masę iki Chandrasekaro ribos (apie 1,4 Saulės masės). Pasiekus šią ribą, įvyksta sprogimas – supernova. Kita galimybė – dviejų baltųjų nykštukių susiliejimas, kai gravitacinės bangos lemia jų priartėjimą ir kartu viršijamą ribą sprogimui. Abu variantai fiksuoti stebėjimais, nors visiškai nepaaiškina, kodėl Visatoje fiksuojamas toks dažnas Ia tipo supernovų pasireiškimas.

Dvigubo užsidegimo hipotezė: alternatyvi sprogimo versija

Mokslininkai siūlo įdomią alternatyvą – dvigubo užsidegimo modelį. Pagal šią teoriją, ant baltosios nykštukės paviršiaus esantis plonas helio sluoksnis gali užsidegti esant reikiamam slėgiui ir temperatūrai, net jei žvaigždė nepasiekia Chandrasekaro ribos. Pradinis helio susiliejimas sukelia paviršinį sprogimą (pirmasis užsidegimas), kuris, sukeldamas smūgines bangas, suspaudžia žvaigždės anglies-deguonies branduolį. Ši greita kompresija gali inicijuoti antrą, gerokai galingesnį užsidegimą branduolio viduje, galutinai sunaikindama baltąją nykštukę ir išlaisvindama didžiulę energijos kiekį.

Dvigubo užsidegimo modelis patrauklus tuo, kad leidžia supernovoms įvykti ir tokiose baltosiose nykštukėse, kurios nesiekia tradicinės masės ribos. Kai kuriais atvejais reikiamą helio sluoksnį žvaigždė sukaupia sąveikaudama su palydovu arba šis lieka iš ankstesnių vystymosi etapų. Pakankamai helio susikaupus ant paviršiaus, galimas dvigubas sprogimas be didelės papildomos masės poreikio.

Dvigubo užsidegimo detekcija: kalcis – pagrindinis rodiklis

Nustatyti dvigubo užsidegimo atvejus sudėtinga dėl sparčios abiejų sprogimo fazių eigos ir chaotiškos aplinkos, kai susidaro naujos supernovos liekanos. Vis dėlto modeliai prognozuoja unikalų cheminį požymį: dviejų atskirų kalcio sluoksnių susidarymą per skirtingus susiliejimo procesus. Helio užsidegimas sukuria išorinį kalcio turtingą apvalkalą, o vėlesnis branduolio užsidegimas išmeta antrą kalcio sluoksnį gilesniuose likučio sluoksniuose. Tokios chemiškai atskirtos struktūros leidžia astronomams atpažinti dvigubo užsidegimo atvejus tarp kitų supernovų.

Tyrimo pavyzdys: supernovos liekana SNR 0509-67.5 Didžiajame Magelano Debesyje

Norėdami patikrinti teoriją, mokslininkų grupė tyrė supernovos liekaną SNR 0509-67.5, esančią kaimyninėje Didžiojo Magelano Debesies galaktikoje. Manoma, jog ši liekana yra kiek daugiau nei 300 metų amžiaus, todėl idealiai tinka tyrimui – jos išmestos medžiagos jau pakankamai išsiplėtė, kad būtų įmanoma detaliai ištirti sudėtį iš Žemės spektroskopiniais metodais.

Naudodamiesi Europos Pietų Observatorijos itin galingu teleskopu, mokslininkai sudarė liekanos elementų žemėlapį. Gauti rezultatai parodė aiškų pasiskirstymą: išorinis jonizuoto kalcio sluoksnis, po juo – jonizuoto sieros sluoksnis, dar giliau – dar vienas kalcio sluoksnis. Ši „kalcis-siera-kalcis“ struktūra atitinka dvigubo užsidegimo modelio prognozes – abu kalcio sluoksniai žymi atskirus užsidegimus. „Sprogimai anglies-deguonies branduolyje ir helio turtingame sluoksnyje suformuoja kokybiškai skirtingus elementų kiekius“, teigiama mokslininkų ataskaitoje. Tai dar labiau sustiprina dvigubo užsidegimo hipotezę.

Tyrimo išvados rodo, kad SNR 0509-67.5 pirmtakas buvo baltoji nykštukė, turėjusi masę panašią į Saulės, o sprogimą sukėlęs helio sluoksnis sudarė vos 3% Saulės masės. Šis minimalus slenkstis parodo, kaip efektyviai ir dažnai Visatoje galėtų vykti dvigubo užsidegimo supernovos.

Pasekmės kosmologijai ir žvaigždžių evoliucijai

Dvigubo užsidegimo mechanizmo patvirtinimas Ia tipo supernovose turi didelę reikšmę astrofizikai ir kosmologijai. Kadangi šios supernovos laikytos vienodo ryškio žiburiais atstumų matavimui ir Visatos plėtros tempui nustatyti, ryškio variacijos dėl dvigubo užsidegimo gali reikšti, kad reikės pakoreguoti kai kuriuos kosmologinius skaičiavimus ir matavimus.

Tyrimas taip pat skatina papildomas diskusijas apie galaktikų cheminį praturtinimą. Supernovos praturtina kosmosą sunkiaisiais elementais, o dvigubo užsidegimo modelis gali savitai paaiškinti padidėjusį kalcio kiekį tam tikrose žvaigždžių populiacijose. Be to, gali būti, jog dvejetinėse arba kelių žvaigždžių sistemose galima išprovokuoti kelis nuoseklius supernovų sprogimus, jei gravitacinė sąveika inicijuoja papildomus užsidegimus panašiais būdais.

Iššūkiai ir tolimesni tyrimai

Nors pasiekta daug, iššūkių liko. Cheminių požymių subtilumas ir galimas nuolaužų persidengimas kelių užsidegimų metu apsunkina stebėjimus. Jei dvi baltosios nykštukės yra artimoje poroje, vienos sprogimas gali vos ne tuo pačiu metu uždegti ir partnerę, ko pasekoje abu įvykiai bus beveik neatskiriami šiuolaikiniais instrumentais.

Mokslininkai pabrėžia, kad tolesnei pažangai būtini pažangūs kompiuteriniai modeliai ir platesni spektroskopiniai tyrimai, padėsiantys patikslinti modelius ir palyginti prognozes su daugiau supernovų liekanų. Artimiausiais metais tokie teleskopai kaip James Webb Space Telescope ar būsimas Extremely Large Telescope gali atverti naujų galimybių stebėti tolimas ir retas šių fenomenų liekanas dar aukštesne raiška.

Ekspertų nuomonės

Astrofizikė dr. Maria López iš Žvaigždžių evoliucijos instituto (žinoma savo darbais apie baltųjų nykštukių sprogimus) komentuoja: „Dvigubo užsidegimo modelio patvirtinimas padeda geriau suprasti Ia tipo supernovų įvairovę ir keičia mūsų požiūrį į kosminių atstumų matavimą. Skirtingų kalcio sluoksnių identifikavimas supernovos liekanose yra įspūdingas šių sudėtingų procesų rodiklis.“

Išvada

Cheminių žymių, atitinkančių dvigubo užsidegimo mechanizmą, atradimas SNR 0509-67.5 supernovos liekanoje yra esminis žingsnis siekiant išsiaiškinti Ia tipo supernovų kilmę. Šis pažangus modelis ne tik paaiškina ilgai gluminusias supernovų įvairovės ir dažnumo problemas, bet ir lemia reikšmingus pokyčius kosmologijoje ir galaktikų chemijos srityse. Tobulėjant stebėjimo ir modeliavimo technologijoms, baltųjų nykštukių gyvenimo ciklo tyrimai ir jų sprogimo pabaigos išliks vienu aktualiausių kosminių reiškinių – formuojančių mūsų supratimą apie Visatos raidą ir jos ateitį.