Een nieuwe methode om de temperatuur van atomen te meten tijdens de explosieve dood van een ster, zal wetenschappers helpen de schokgolf te begrijpen die optreedt als gevolg van deze supernova-explosie. Een internationaal team van onderzoekers, waaronder een Penn State wetenschapper, gecombineerde observaties van een nabijgelegen supernovarest - de structuur die overblijft na de explosie van een ster - met simulaties om de temperatuur te meten van langzaam bewegende gasatomen rond de ster terwijl ze worden verwarmd door het materiaal dat door de explosie naar buiten wordt voortgestuwd.

Het onderzoeksteam analyseerde langetermijnobservaties van het nabijgelegen supernova-overblijfsel SN1987A met behulp van NASA's Chandra X-ray Observatory en creëerde een model dat de supernova beschrijft. Het team bevestigde dat de temperatuur van zelfs de zwaarste atomen - die nog niet waren onderzocht - gerelateerd is aan hun atoomgewicht, het beantwoorden van een al lang bestaande vraag over schokgolven en het verstrekken van belangrijke informatie over hun fysieke processen. Een paper waarin de resultaten worden beschreven, verschijnt op 21 januari. 2019, in het journaal Natuurastronomie .

"Supernova-explosies en hun overblijfselen bieden kosmische laboratoria die ons in staat stellen natuurkunde te onderzoeken in extreme omstandigheden die op aarde niet kunnen worden gedupliceerd, " zei David Burrows, hoogleraar astronomie en astrofysica aan Penn State en auteur van het artikel. "Moderne astronomische telescopen en instrumentatie, zowel op de grond als in de ruimte, hebben ons in staat gesteld om gedetailleerde studies uit te voeren van supernovaresten in onze melkweg en nabijgelegen melkwegstelsels. We hebben regelmatig observaties gedaan van supernovarest SN1987A met behulp van NASA's Chandra X-ray Observatory, de beste röntgentelescoop ter wereld, sinds kort na de lancering van Chandra in 1999, en gebruikte simulaties om al lang bestaande vragen over schokgolven te beantwoorden."

De explosieve dood van een massieve ster als SN1987A stuwt materiaal naar buiten met snelheden tot een tiende van de lichtsnelheid, schokgolven in het omringende interstellaire gas duwen. Onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in het schokfront, de abrupte overgang tussen de supersonische explosie en het relatief langzaam bewegende gas rond de ster. Het schokfront verwarmt dit koele, langzaam bewegende gas tot miljoenen graden - temperaturen die hoog genoeg zijn om het gas röntgenstralen te laten uitzenden die vanaf de aarde detecteerbaar zijn.

"De overgang is vergelijkbaar met die waargenomen in een gootsteen wanneer een snelle stroom water de gootsteen raakt, vloeiend naar buiten stromen totdat het abrupt in hoogte springt en turbulent wordt, " zei Burrows. "Schokfronten zijn uitgebreid bestudeerd in de atmosfeer van de aarde, waar ze voorkomen in een extreem smal gebied. Maar in de ruimte, schokovergangen zijn geleidelijk en kunnen de atomen van alle elementen niet op dezelfde manier beïnvloeden."

Het onderzoeksteam, onder leiding van Marco Miceli en Salvatore Orlando van de Universiteit van Palermo, Italië, de temperaturen gemeten van verschillende elementen achter het schokfront, die het begrip van de fysica van het schokproces zal verbeteren. Deze temperaturen zijn naar verwachting evenredig met het atoomgewicht van de elementen, maar de temperaturen zijn moeilijk nauwkeurig te meten. Eerdere studies hebben geleid tot tegenstrijdige resultaten met betrekking tot deze relatie, en zijn er niet in geslaagd om zware elementen met een hoog atoomgewicht op te nemen. Het onderzoeksteam wendde zich tot supernova SN1987A om dit dilemma aan te pakken.

Supernova SN1987A, die zich in het nabijgelegen sterrenbeeld Grote Magelhaense Wolk bevindt, was de eerste supernova die met het blote oog zichtbaar was sinds Kepler's Supernova in 1604. Het is ook de eerste die in detail is bestudeerd met moderne astronomische instrumenten. Het licht van de explosie bereikte de aarde voor het eerst op 23 februari, 1987, en sindsdien is het waargenomen bij alle golflengten van licht, van radiogolven tot röntgenstralen en gammagolven. Het onderzoeksteam gebruikte deze waarnemingen om een ​​model te bouwen dat de supernova beschrijft.

Modellen van SN1987A waren meestal gericht op enkele waarnemingen, maar in deze studie de onderzoekers gebruikten driedimensionale numerieke simulaties om de evolutie van de supernova op te nemen, vanaf het begin tot de huidige leeftijd. Een vergelijking van de röntgenwaarnemingen en het model stelde de onderzoekers in staat om de atoomtemperaturen van verschillende elementen met een breed scala aan atoomgewichten nauwkeurig te meten, en om de relatie te bevestigen die de temperatuur voorspelt die wordt bereikt door elk type atoom in het interstellaire gas.

"We kunnen nu nauwkeurig de temperaturen meten van elementen zo zwaar als silicium en ijzer, en hebben aangetoond dat ze inderdaad de relatie volgen dat de temperatuur van elk element evenredig is met het atoomgewicht van dat element, "zei Burrows. "Dit resultaat regelt een belangrijk probleem in het begrip van astrofysische schokgolven en verbetert ons begrip van het schokproces."