Een onderzoeksteam van het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), bestaande uit gastwetenschapper Chiaki Kobayashi, Projectonderzoeker destijds Shing-Chi Leung (nu aan het California Institute of Technology), en Senior Scientist Ken'ichi Nomoto hebben computersimulaties gebruikt om de explosie te volgen, Nucleaire reactie, productie van elementen, en evolutie van elementaire abundanties in sterrenstelsels. Als resultaat, ze legden strenge beperkingen op aan de oorsprong van Type Ia-supernova's.

Een Type Ia supernova is een type supernova dat geen verband houdt met de dood van een massieve ster. In plaats daarvan, een Type Ia supernova is een lichtgevende explosie van een ster die optreedt in een binair systeem, waar twee relatief lichte sterren samen evolueren. Vanwege hun relatief constante helderheid, Type Ia supernova's zijn gebruikt als een standaard "kaars" om de uitdijing van het heelal te meten, een resultaat waarvoor in 2011 de Nobelprijs voor de Natuurkunde werd toegekend. Echter, de stamvader van een Type Ia supernova is onbekend, en is al ongeveer een halve eeuw onderwerp van discussie.

"Zoals gebruikelijk voor normale supernova's, Type Ia-supernova's produceren "metalen" - of, in astronomische termen, chemische elementen zwaarder dan waterstof en helium, het laatste paar traceert hun oorsprong tot de oerknal, maar Type Ia-supernova's produceren verschillende elementen, zoals mangaan (Mn), nikkel (Ni), en ijzer (Fe). Deze elementaire abundanties kunnen worden gemeten in spectrale kenmerken van nabije sterren, die een "record" van supernova's uit het verleden bijhouden, zoals fossielen dat doen in de archeologie, '' Kobayashi, die tevens universitair hoofddocent is aan de Universiteit van Hertfordshire in het Verenigd Koninkrijk, zei. Daarom, de evolutie van elementaire abundanties in sterrenstelsels kan een strikte beperking vormen voor de ware oorsprong van Type Ia-supernova's.

De voorlopersterren van Type Ia-supernova's zijn een soort witte dwerg die is gemaakt van koolstof en zuurstof. Witte dwergen vormen zich na de dood van middelzware sterren, waar elektronendegeneratiedruk de ster ondersteunt tegen instorten onder zijn eigen zwaartekracht. Echter, als een witte dwerg zijn bovenste massalimiet overschrijdt - ook wel de Chandrasekhar-massalimiet genoemd (genoemd naar natuurkundige Subrahmanyan Chandrasekhar) - leidt dit tot kernreacties waardoor hij explodeert.

Daarom, in een binair systeem met een bijna-Chandrasekhar-massale witte dwerg, massa-aanwas van een begeleidende ster kan een explosie veroorzaken, dat is een van de twee voorgestelde scenario's (het "enkele gedegenereerde scenario") voor Type Ia-supernova's. In het andere scenario twee witte dwergen worden gevormd in een binair systeem (het "dubbele gedegenereerde scenario"), die samensmelten om een ​​explosie te veroorzaken, namelijk een sub-Chandrasekhar-massale explosie.

Om beide gevallen te onderzoeken, het onderzoeksteam voert gedetailleerde berekeningen uit (2-dimensionale hydrodynamische simulaties en nucleosynthese) van zowel bijna-Chandrasekhar-massa als sub-Chandrasekhar-massa-explosies, en berekende de evolutie van de Melkweg, iets dat in eerder onderzoek niet was gedaan.

"Tussen deze twee gevallen, vinden we een cruciaal verschil in de evolutie van elementaire abundanties, in het bijzonder voor het element mangaan, ' legde Kobayashi uit. In de eerste simulatie de explosie zorgde voor materie met hoge temperatuur en hoge dichtheid waar veel mangaan werd geproduceerd, terwijl in de tweede simulatie, er was geen dergelijke materie en daarom werd er niet genoeg mangaan geproduceerd.

Het onderzoeksteam nam vervolgens de productiehoeveelheid van elk chemisch element op in hun melkwegmodel om de evolutie van elementen in de Melkweg te voorspellen. In vergelijking met observatiegegevens, namelijk, elementaire abundanties gemeten in nabije sterren met hoge resolutie spectroscopie, ze ontdekten dat minstens 75 procent van de Type Ia-supernova's bijna-Chandrasekhar-massa-explosies zijn. In beide gevallen, het gevonden onderzoek, de geproduceerde ijzermassa is ongeveer hetzelfde - dat wil zeggen, 60 procent van de massa van de zon - die ongeveer 10 keer groter is dan in normale supernova's van massieve sterren.

"De chemische evolutie van sterrenstelsels is krachtig voor het oplossen van al lang bestaande problemen in de nucleaire astrofysica. Niet alleen mangaan, maar ook de hoeveelheid nikkel wordt in onze berekeningen bijgewerkt met de nieuwste nucleaire reacties. Nikkel werd in eerdere berekeningen overgeproduceerd, maar nu komt de voorspelde overvloed overeen met waarnemingen, ' voegde Kobayashi toe. Als gevolg van hun bevindingen, het probleem van de overproductie van nikkel is eindelijk opgelost, na twee decennia van studies.

interessanter, het onderzoeksteam toonde ook aan dat een grotere bijdrage van sub-Chandrasekhar-massa-explosies de voorkeur heeft boven bijna-Chandrasekhar-massa-explosies uit de beschikbare waarnemingen in verschillende sterrenstelsels - dwerg sferoïdale sterrenstelsels rond de Melkweg, bijvoorbeeld.

Kobayashi en haar team merkten op dat de elementaire overvloed van miljoenen sterren zal worden verkregen met lopende en toekomstige internationale projecten, zoals APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment), HERMES-GALAH (GALactic Archeologie met HERMES), WEAVE (WHT Enhanced Area Velocity Explorer), 4MOST (4-meter multi-object spectroscopische telescoop), MSE (De Maunakea Spectroscopische Verkenner), in het nieuwe onderzoeksgebied "Galactic Archaeology, " of de studie van de geschiedenis van de Melkweg, en hun bevindingen zullen in toekomstig onderzoek verder worden getest.