Відкриття темної енергії, загадкової сили, що прискорює розширення Всесвіту, ґрунтувалося на спостереженнях наднових типів 1а, і ці зоряні вибухи вже давно використовуються як «стандартні свічки» для вимірювання розширення. Нове дослідження виявляє джерела мінливості цих наднових, і щоб точно дослідити природу темної енергії та визначити, чи є вона постійною чи змінною у часі, вченим доведеться знайти спосіб вимірювання космічних відстаней із значно більшою точністю, ніж у них минуле.
"Поки ми починаємо наступні покоління експериментів з космології, ми хочемо використовувати наднові типу 1а як дуже чутливі міри відстані", - сказав головний автор Даніель Касен з дослідження, опублікованого в "Природі" цього тижня. «Ми знаємо, що вони не однакова яскравість, і у нас є способи виправити це, але нам потрібно знати, чи є систематичні відмінності, які б зміщували вимірювання відстані. Тож у цьому дослідженні було досліджено, що викликає ці відмінності в яскравості ».
Касен та його співавтори - Фріц Рьопке з Інституту астрофізики Макса Планка в Гарчінгу, Німеччина, і Стен Вуслі, професор астрономії та астрофізики в Університеті Санта-Крус, використовували суперкомп'ютери для запуску десятків симуляцій наднових типів 1а. Результати показують, що значна частина різноманітності, що спостерігається у цих наднових, обумовлена хаотичною сутністю процесів, що виникають, та асиметрією вибухів, що виникають у результаті.
Здебільшого ця мінливість не призведе до систематичних помилок в дослідженнях вимірювань, якщо дослідники використовують велику кількість спостережень і застосовують стандартні виправлення, сказав Касен. Дослідження виявило невеликий, але потенційно тривожний ефект, який може бути наслідком систематичних відмінностей у хімічному складі зірок у різні часи історії Всесвіту. Але дослідники можуть використовувати комп’ютерні моделі для подальшої характеристики цього ефекту та розробки коригувань для нього.
Супернова типу 1а виникає, коли біла карликова зірка набуває додаткової маси, відшиваючи речовину подалі від зірки-супутника. Коли вона досягає критичної маси - в 1,4 рази перевищує масу Сонця, упакованого в об'єкт розміром із Землею - тепло і тиск у центрі зірки викликають реакцію ядерного синтезу, що біжить, і білий карлик вибухає. Оскільки початкові умови у всіх випадках приблизно однакові, ці наднови мають тенденцію мати однакову світність, і їх "криві світла" (як змінюється світність з часом) передбачувані.
Деякі по суті яскравіші за інших, але вони спалахують і згасають повільніше, і це співвідношення між яскравістю та шириною кривої світла дозволяє астрономам застосовувати корекцію для стандартизації своїх спостережень. Тож астрономи можуть виміряти криву світла наднової типу 1а, обчислити її внутрішню яскравість, а потім визначити, наскільки вона далека, оскільки видима яскравість зменшується з відстані (так само, як свічка здається тьмянішою на відстані, ніж ближче) .
Комп'ютерні моделі, що використовуються для моделювання цих наднових у новому дослідженні, ґрунтуються на поточному теоретичному розумінні того, як і де починається процес запалювання всередині білого карлика та де він здійснює перехід від сповільнення горіння до вибухової детонації.
Моделювання показало, що асиметрія вибухів є ключовим фактором, що визначає яскравість наднових типів 1а. "Причина цих супернових не однакової яскравості тісно пов'язана з цим порушенням сферичної симетрії", - сказав Касен.
Домінуючим джерелом мінливості є синтез нових елементів під час вибухів, який чутливий до відмінностей у геометрії перших іскор, що запалюють термоядерний відбіг у закипаючому ядрі білого карлика. Нікель-56 особливо важливий, оскільки радіоактивний розпад цього нестабільного ізотопу створює післясвічення, яке астрономи можуть спостерігати місяцями чи навіть роками після вибуху.
«Розпад нікелю-56 - це те, що зумовлює криву світла. Вибух закінчився за лічені секунди, тому те, що ми бачимо, є результатом того, як нікель нагріває сміття і як сміття випромінює світло ", - сказав Касен.
Касен розробив комп'ютерний код для імітації цього процесу радіаційного перенесення, використовуючи вихід із імітованих вибухів для створення візуалізацій, які можна порівняти безпосередньо з астрономічними спостереженнями наднових.
Хороша новина полягає в тому, що мінливість, виявлена в комп'ютерних моделях, узгоджується із спостереженнями наднових типів 1a. «Найголовніше, що ширина та пікова світність кривої світла співвідносяться таким чином, що відповідає тому, що виявили спостерігачі. Тож моделі узгоджуються із спостереженнями, на яких базувалося відкриття темної енергії », - сказав Вуслі.
Іншим джерелом мінливості є те, що ці асиметричні вибухи виглядають по-різному, якщо дивитися під різними кутами. Це може спричинити різницю в яскравості до 20 відсотків, сказав Касен, але ефект є випадковим і створює розсіювання в вимірах, які можна статистично зменшити, спостерігаючи велику кількість наднових.
Потенціал для систематичного зміщення в основному пов'язаний із зміною початкового хімічного складу білої карликової зірки. Важкі елементи синтезуються під час вибухів наднової, а сміття від цих вибухів внесено до нових зірок. Як результат, зірки, що утворилися нещодавно, можуть містити більш важкі елементи (вища "металічність" в термінології астрономів), ніж зірки, утворені в далекому минулому.
"Ми очікуємо, що це буде розвиватися з часом, тому якщо ви подивитесь на далекі зірки, що відповідають набагато більш раннім часам історії Всесвіту, вони мають тенденцію мати меншу металічність", - сказав Касен. "Коли ми розраховували ефект цього в наших моделях, ми виявили, що отримані помилки при вимірюванні відстані будуть приблизно 2 відсотки або менше".
Подальші дослідження з використанням комп’ютерного моделювання дадуть можливість дослідникам більш детально охарактеризувати наслідки таких варіацій та обмежити їх вплив на майбутні експерименти з темною енергією, що може зажадати рівня точності, яка зробить помилки на 2 відсотки неприйнятними.
Джерело: EurekAlert
