Wetenschappers hebben fragmenten van titanium gevonden die uit een beroemde supernova spatten. Deze ontdekking, gemaakt met NASA's Chandra X-ray Observatory, zou een belangrijke stap kunnen zijn om precies te bepalen hoe sommige gigantische sterren exploderen.

Dit werk is gebaseerd op Chandra-waarnemingen van de overblijfselen van een supernova genaamd Cassiopeia A (Cas A), gelegen in onze melkweg ongeveer 11, 000 lichtjaar van de aarde. Dit is een van de jongste bekende supernovaresten, met een leeftijd van ongeveer 350 jaar.

Voor jaren, wetenschappers hebben moeite om te begrijpen hoe massieve sterren - die met een massa van meer dan ongeveer 10 keer die van de zon - exploderen wanneer ze geen brandstof meer hebben. Dit resultaat biedt een onschatbare nieuwe aanwijzing.

"Wetenschappers denken dat het grootste deel van het titanium dat in ons dagelijks leven wordt gebruikt, zoals in elektronica of sieraden, wordt geproduceerd in de explosie van een massieve ster, " zei Toshiki Sato van de Rikkyo Universiteit in Japan, wie leidde de studie die in het tijdschrift verschijnt? Natuur . "Echter, tot nu toe hebben wetenschappers nooit het moment kunnen vastleggen net nadat stabiel titanium is gemaakt."

Wanneer de kernenergiebron van een massieve ster opraakt, het centrum stort in onder de zwaartekracht en vormt ofwel een dichte stellaire kern genaamd een neutronenster of, minder vaak, een zwart gat. Wanneer een neutronenster wordt gemaakt, de binnenkant van de instortende massieve ster stuitert van het oppervlak van de stellaire kern, de implosie terugdraaien.

De hitte van deze catastrofale gebeurtenis produceert een schokgolf - vergelijkbaar met een sonische knal van een supersonische jet - die naar buiten raast door de rest van de gedoemde ster, het produceren van nieuwe elementen door kernreacties zoals het gaat. Echter, in veel computermodellen van dit proces, energie gaat snel verloren en de reis van de schokgolf naar buiten stagneert, het voorkomen van de supernova-explosie.

Recente driedimensionale computersimulaties suggereren dat neutrino's - subatomaire deeltjes met een zeer lage massa - gemaakt bij de creatie van de neutronenster een cruciale rol spelen bij het aandrijven van bellen die van de neutronenster wegsnellen. Deze bubbels blijven de schokgolf naar voren drijven om de supernova-explosie te veroorzaken.

Met de nieuwe studie van Cas A, het team ontdekte krachtig bewijs voor zo'n door neutrino aangedreven explosie. In de Chandra-gegevens ontdekten ze dat vingervormige structuren die van de explosieplaats af wijzen titanium en chroom bevatten, samenvallend met ijzerresten die eerder met Chandra zijn ontdekt. De voorwaarden die nodig zijn voor het ontstaan ​​van deze elementen in kernreacties, zoals de temperatuur en dichtheid, overeenkomen met die van bellen in simulaties die de explosies veroorzaken.

Het titanium dat door Chandra in Cas A is gevonden en dat door deze simulaties wordt voorspeld, is een stabiele isotoop van het element, wat betekent dat het aantal neutronen dat de atomen bevatten, impliceert dat het niet door radioactiviteit verandert in een andere, lichter element. Voorheen hadden astronomen NASA's NuSTAR-telescoop gebruikt om op verschillende locaties in Cas A een onstabiele isotoop van titanium te ontdekken. Elke 60 jaar verandert ongeveer de helft van deze titaniumisotoop in scandium en vervolgens in calcium.

"We hebben deze handtekening van titaniumbellen in een supernovarest nog nooit eerder gezien, een resultaat dat alleen mogelijk was met Chandra's ongelooflijk scherpe beelden, "Zei co-auteur Keiichi Maeda van de Universiteit van Kyoto in Japan. "Ons resultaat is een belangrijke stap in het oplossen van het probleem van hoe deze sterren exploderen als supernova's."

"Toen de supernova plaatsvond, Er werden titaanfragmenten geproduceerd diep in de massieve ster. De fragmenten drongen het oppervlak van de massieve ster binnen, die de rand vormen van het supernovarest Cas A, " zei co-auteur Shigehiro Nagataki van de RIKEN Cluster for Pioneering Research in Japan.

Deze resultaten ondersteunen sterk het idee van een door neutrino aangedreven explosie om op zijn minst enkele supernova's te verklaren.

"Ons onderzoek zou het belangrijkste waarnemingsresultaat kunnen zijn dat de rol van neutrino's in exploderende massieve sterren onderzoekt sinds de detectie van neutrino's van Supernova 1987A, " zei co-auteur Takashi Yoshida van de Universiteit van Kyoto in Japan.

Astronomen gebruikten meer dan anderhalve miljoen seconden, of meer dan 18 dagen, van Chandra waarnemingstijd van Cas A genomen tussen 2000 en 2018. De hoeveelheid stabiel titanium geproduceerd in Cas A overschrijdt de totale massa van de aarde.

Deze resultaten zijn gepubliceerd in de 22 april, uitgave van 2021 Natuur . Naast Sato, Maeda, Nagataki en Yoshida, de auteurs van het artikel zijn Brian Grefenstette (California Institute of Technology in Pasadena, Californië), Brian J. Williams (NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland), Hideyuki Umeda (Universiteit van Tokio in Japan), Masaomi Ono (RIKEN-cluster voor baanbrekend onderzoek in Japan), en Jack Hughes (Rutgers University in Piscataway, New Jersey).

NASA's Marshall Space Flight Center beheert het Chandra-programma. Het Chandra X-ray Center van het Smithsonian Astrophysical Observatory bestuurt de wetenschap van Cambridge Massachusetts en vluchtoperaties vanuit Burlington, Massachusetts.