Η ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας, μιας μυστηριώδους δύναμης που επιταχύνει την επέκταση του σύμπαντος, βασίστηκε σε παρατηρήσεις των σουπερνόβα τύπου 1a και αυτές οι αστρικές εκρήξεις έχουν χρησιμοποιηθεί από καιρό ως «τυπικά κεριά» για τη μέτρηση της επέκτασης. Μια νέα μελέτη αποκαλύπτει πηγές μεταβλητότητας σε αυτά τα σουπερνόβα και για να διερευνήσει με ακρίβεια τη φύση της σκοτεινής ενέργειας και να προσδιορίσει εάν είναι σταθερή ή μεταβλητή με την πάροδο του χρόνου, οι επιστήμονες θα πρέπει να βρουν έναν τρόπο να μετρήσουν τις κοσμικές αποστάσεις με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από ό, τι στο Το παρελθόν.
«Καθώς ξεκινάμε την επόμενη γενιά πειραμάτων κοσμολογίας, θα θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε τα supernova τύπου 1a ως πολύ ευαίσθητα μέτρα απόστασης», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Daniel Kasen, μιας μελέτης που δημοσιεύθηκε στο Nature αυτή την εβδομάδα. «Γνωρίζουμε ότι δεν είναι όλες οι ίδιες φωτεινότητες και έχουμε τρόπους διόρθωσης για αυτό, αλλά πρέπει να γνωρίζουμε εάν υπάρχουν συστηματικές διαφορές που θα προκαλούσαν τις μετρήσεις απόστασης. Έτσι, αυτή η μελέτη διερεύνησε τι προκαλεί αυτές τις διαφορές στη φωτεινότητα. "
Ο Kasen και οι συν-συγγραφείς του –Fritz Röpke του Max Planck Institute for Astrophysics in Garching, Γερμανία και ο Stan Woosley, καθηγητής αστρονομίας και αστροφυσικής στο UC Santa Cruz- χρησιμοποίησαν υπερυπολογιστές για να εκτελέσουν δεκάδες προσομοιώσεις σουπερνόβα τύπου 1a. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι μεγάλο μέρος της ποικιλίας που παρατηρείται σε αυτές τις σουπερνόβες οφείλεται στη χαοτική φύση των διεργασιών και στην προκύπτουσα ασυμμετρία των εκρήξεων.
Ως επί το πλείστον, αυτή η μεταβλητότητα δεν θα προκαλούσε συστηματικά σφάλματα στις μελέτες μέτρησης, εφόσον οι ερευνητές χρησιμοποιούν μεγάλο αριθμό παρατηρήσεων και εφαρμόζουν τις τυπικές διορθώσεις, δήλωσε ο Kasen. Η μελέτη βρήκε ένα μικρό αλλά δυνητικά ανησυχητικό αποτέλεσμα που θα μπορούσε να προκύψει από συστηματικές διαφορές στις χημικές συνθέσεις των αστεριών σε διαφορετικούς χρόνους στην ιστορία του σύμπαντος. Αλλά οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα μοντέλα υπολογιστών για να χαρακτηρίσουν περαιτέρω αυτό το αποτέλεσμα και να αναπτύξουν διορθώσεις για αυτό.
Μια σουπερνόβα τύπου 1a εμφανίζεται όταν ένα λευκό αστέρι νάνου αποκτά επιπλέον μάζα με την απομάκρυνση της ύλης μακριά από ένα συνοδευτικό αστέρι. Όταν φτάσει σε μια κρίσιμη μάζα - 1,4 φορές τη μάζα του Ήλιου, συσκευασμένη σε ένα αντικείμενο το μέγεθος της Γης - η θερμότητα και η πίεση στο κέντρο του αστεριού πυροδοτούν μια αντίδραση πυρηνικής σύντηξης, και ο λευκός νάνος εκρήγνυται. Δεδομένου ότι οι αρχικές συνθήκες είναι σχεδόν ίδιες σε όλες τις περιπτώσεις, αυτές οι σουπερνόβες τείνουν να έχουν την ίδια φωτεινότητα και οι «καμπύλες φωτός» τους (πώς αλλάζει η φωτεινότητα με την πάροδο του χρόνου) είναι προβλέψιμες.
Μερικά είναι εγγενώς φωτεινότερα από άλλα, αλλά αυτά αναβοσβήνουν και εξασθενίζουν πιο αργά, και αυτή η συσχέτιση μεταξύ της φωτεινότητας και του πλάτους της καμπύλης φωτός επιτρέπει στους αστρονόμους να εφαρμόσουν μια διόρθωση για να τυποποιήσουν τις παρατηρήσεις τους. Έτσι, οι αστρονόμοι μπορούν να μετρήσουν την καμπύλη φωτός ενός supernova τύπου 1a, να υπολογίσουν την εγγενή φωτεινότητά του και, στη συνέχεια, να προσδιορίσουν πόσο μακριά είναι, καθώς η φαινομενική φωτεινότητα μειώνεται με την απόσταση (ακριβώς όπως ένα κερί εμφανίζεται πιο αμυδρό σε απόσταση από ότι κλείνει) .
Τα μοντέλα υπολογιστών που χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση αυτών των σουπερνόβων στη νέα μελέτη βασίζονται στην τρέχουσα θεωρητική κατανόηση του πώς και πού ξεκινά η διαδικασία ανάφλεξης μέσα στον άσπρο νάνο και πού κάνει τη μετάβαση από την καύση αργής καύσης σε εκρηκτική έκρηξη.
Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι η ασυμμετρία των εκρήξεων είναι ένας βασικός παράγοντας που καθορίζει τη φωτεινότητα των σουπερνόβων τύπου 1a. «Ο λόγος για τον οποίο αυτές οι σουπερνόβες δεν είναι όλες οι ίδιες με τη φωτεινότητα συνδέεται στενά με αυτό το σπάσιμο της σφαιρικής συμμετρίας», δήλωσε ο Kasen.
Η κυρίαρχη πηγή μεταβλητότητας είναι η σύνθεση νέων στοιχείων κατά τη διάρκεια των εκρήξεων, η οποία είναι ευαίσθητη στις διαφορές στη γεωμετρία των πρώτων σπινθήρων που πυροδοτούν μια θερμοπυρηνική διαφυγή στον πυρακτωμένο πυρήνα του λευκού νάνου. Το νικέλιο-56 είναι ιδιαίτερα σημαντικό, επειδή η ραδιενεργή διάσπαση αυτού του ασταθούς ισότοπου δημιουργεί τη μεταλαμπή που μπορούν να παρατηρήσουν οι αστρονόμοι για μήνες ή ακόμα και χρόνια μετά την έκρηξη.
«Η αποσύνθεση του νικελίου-56 είναι αυτό που τροφοδοτεί την καμπύλη φωτός. Η έκρηξη τελείωσε μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα, οπότε αυτό που βλέπουμε είναι το αποτέλεσμα του πώς το νικέλιο θερμαίνει τα συντρίμμια και πώς τα συντρίμμια εκπέμπουν φως », δήλωσε ο Κάσεν.
Ο Kasen ανέπτυξε τον κωδικό υπολογιστή για να προσομοιώσει αυτήν τη διαδικασία μεταφοράς ακτινοβολίας, χρησιμοποιώντας έξοδο από τις προσομοιωμένες εκρήξεις για να παράγει οπτικοποιήσεις που μπορούν να συγκριθούν απευθείας με αστρονομικές παρατηρήσεις των σουπερνόβων.
Τα καλά νέα είναι ότι η μεταβλητότητα που φαίνεται στα μοντέλα υπολογιστών συμφωνεί με τις παρατηρήσεις των σουπερνόβα τύπου 1α. «Το πιο σημαντικό, το πλάτος και η μέγιστη φωτεινότητα της καμπύλης φωτός συσχετίζονται με τρόπο που συμφωνεί με αυτό που βρήκαν οι παρατηρητές. Έτσι τα μοντέλα είναι σύμφωνα με τις παρατηρήσεις στις οποίες βασίστηκε η ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας », δήλωσε ο Woosley.
Μια άλλη πηγή μεταβλητότητας είναι ότι αυτές οι ασύμμετρες εκρήξεις φαίνονται διαφορετικές όταν παρατηρούνται σε διαφορετικές γωνίες. Αυτό μπορεί να εξηγήσει διαφορές στη φωτεινότητα έως και 20 τοις εκατό, είπε ο Kasen, αλλά το αποτέλεσμα είναι τυχαίο και δημιουργεί διασπορά στις μετρήσεις που μπορούν να μειωθούν στατιστικά με την παρατήρηση μεγάλου αριθμού υπερκαινοφανών.
Η πιθανότητα συστηματικής προκατάληψης προέρχεται κυρίως από τη διακύμανση της αρχικής χημικής σύνθεσης του λευκού νάνου αστέρα. Τα βαρύτερα στοιχεία συντίθενται κατά τη διάρκεια των εκρήξεων σουπερνόβα και συντρίμμια από αυτές τις εκρήξεις ενσωματώνονται σε νέα αστέρια. Ως αποτέλεσμα, τα αστέρια που σχηματίστηκαν πρόσφατα είναι πιθανό να περιέχουν πιο βαριά στοιχεία (υψηλότερη «μεταλλικότητα» στην ορολογία των αστρονόμων) από τα αστέρια που σχηματίστηκαν στο μακρινό παρελθόν.
«Αυτό είναι το είδος που περιμένουμε να εξελιχθεί με την πάροδο του χρόνου, οπότε αν κοιτάξετε μακρινά αστέρια που αντιστοιχούν σε πολύ νωρίτερα χρόνια στην ιστορία του σύμπαντος, θα τείνουν να έχουν χαμηλότερη μεταλλικότητα», είπε ο Kasen. "Όταν υπολογίσαμε την επίδραση αυτού στα μοντέλα μας, διαπιστώσαμε ότι τα προκύπτοντα σφάλματα στις μετρήσεις απόστασης θα ήταν της τάξης του 2 τοις εκατό ή λιγότερο."
Περαιτέρω μελέτες που χρησιμοποιούν προσομοιώσεις υπολογιστών θα επιτρέψουν στους ερευνητές να χαρακτηρίσουν τα αποτελέσματα τέτοιων παραλλαγών με περισσότερες λεπτομέρειες και να περιορίσουν τον αντίκτυπό τους σε μελλοντικά πειράματα σκοτεινής ενέργειας, τα οποία ενδέχεται να απαιτούν ένα επίπεδο ακρίβειας που θα έκανε απαράδεκτα σφάλματα 2%.
Πηγή: EurekAlert
