Palomar Transient Factory er ett av flere leteprosjekter som automatisk tar eksponeringer av himmelen og identifiserer nye supernovakandidater. Prosjektet har siden 2008 oppdaget mer enn 1000 nye supernovaer. Den kanskje viktigste oppdagelsen hittil kom imidlertid 24. august da en ny supernova ble funnet i galaksen Messier 101 (M101). Spektroskopiske observasjoner foretatt neste dag ved Lick-observatoriet i California viste at supernovaen var av type Ia.
Hva gjør akkurat denne supernovaen så unik? Kort fortalt er det to ting:
- For det første skjedde supernovaksplosjonen i vårt nærmeste kosmiske nabolag, bare 7 Megaparsec (omtrent 23 millioner lysår) fra oss. Vi må helt tilbake til til 1972 for å finne en supernova av type Ia som har eksplodert nærmere oss. Siden den gang har en ny generasjon kjempeteleskoper i 8-10 meters klassen, utstyrt med følsomme CCD-kameraer, i kombinasjon med satellittobservatorier som gjør målinger over et bredt bølgelengdeområde, revolusjonert utforskningen av verdensrommet.
- For det andre ble supernovaeksplosjonen oppdaget i en veldig tidlig fase, da lysstyrken bare var en tusendel av den forventede maksimale lysstyrken. Aldri tidligere har man oppdaget en supernova av denne typen i en så tidlig fase, og dette kan gi viktig ny detaljert informasjon om eksplosjonsmekanismen.
Supernovaer og mørk energi
Supernovaer av type Ia har en helt spesiell interesse for astronomer og fysikere siden de var basis for oppdagelsen av mørk energi i 1998. En sentral egenskap ved type Ia supernovaer er at energien som blir frigjort er nesten nøyaktig den samme ved alle eksplosjoner av denne typen. De omtales derfor ofte som "standard lyskilder" i universet. Den maksimale tilsynelatende lysstyrken til supernovaen sett fra jorden er derfor et godt mål på hvor langt supernovaen befinner seg fra oss. Slike lysstyrkemålinger kan kombineres med spektroskopiske målinger av rødforskyvningen til supernovaene, noe som forteller hvor mye universet har utvidet seg siden lyset ble sendt ut fra supernovaen. Når de når sin maksimale lysstyrke vil disse supernovaene skinne fem milliarder ganger sterkere enn sola, og i noen tilfeller har vi observert supernovaeksplosjoner som er så fjerne at lyset har vært på vei mot oss i 10 milliarder år. Ved å kombinere lysstyrkemålinger og rødforskyvningsmålinger for et stort antall type Ia supernovaer kan man rekonstruere hvordan universet har ekspandert gjennom mesteparten av universets historie. Overraskelsen var stor da man gjorde slike målinger og fant at universets ekspansjon hadde begynt å akselerere for omtrent 5 milliarder år siden! Flere teorier er blitt lansert for å forklare denne akselerasjonen, og disse mulige fysiske forklaringene på akselerasjonen har etterhvert fått sekkebetegnelsen "mørk energi".
Etter hvert har flere andre typer målinger, blant annet av storskalastrukturer og galaksehoper i universet og kosmisk bakgrunnsstråling, gitt ytterligere støtte til supernovamålingene av akselerert ekspansjon, men det er fremdeles supernovamålingene som gir oss den klareste indikasjonen på eksistensen av mørk energi.
Tre eksponeringer av M101, tatt henholdvis 22. 23. og 24. august med 48-tommers teleskopet ved Palomar Observatory. Den grønne pilen indikerer posisjonen til supernovaen. På det første bildet er supernovaen usynlig, og mellom de to neste bildene har supernovaens lysstyrke allerede blitt seks ganger sterkere.
Kilde: Peter Nugent/Lawrence Berkeley National Laboratory og Palomar Observatory
Forstår vi type Ia supernovaer?
Alle supernovaeksplosjoner av type Ia er nesten like lyssterke, men ikke helt. Observasjoner har for eksempel vist en sammenheng mellom den maksimale lysstyrken til supernovaen og hvor fort lysstyrken avtar etter maksimum. Det er også funnet en tilsvarende relasjon mellom den maksimale lysstyrken og fargen til supernovaen. Korrigerer man for disse effektene finner man mindre enn fem prosent variasjon i maksimumslysstyrke fra supernova til supernova av denne typen. Slike korreksjoner er en forutsetning for nøyaktige målinger av universets ekspansjonshastighet, og for å gjøre vesentlige fremskritt i forståelsen av mørk energi må man finne ytterligere korreksjoner som bringer disse variasjonene ned til 1-2%.
Et kraftig ankepunkt mot disse korreksjonene er at de ikke bygger på noen dypere fysisk forståelse av eksplosjonsmekanismen i slike supernovaeksplosjoner. Astrofysikere er i dag enige om at supernovaeksplosjoner av type Ia oppstår i et tett dobbeltstjernesystem der den ene komponenten er en hvit dvergstjerne som består av karbon og oksygen. En slik stjerne holder seg stabil så lenge stjernas egen tyngdekraft balanseres av krefter som skyldes elektronenes degenerasjonstrykk. Dersom den hvite dvergstjerna får tilført materie fra sin kompanjong slik at den hvite dvergens masse når den såkalte Chandrasekhargrensen på omkring 1.4 solmasser vil det startes fusjon av karbon og oksygen til tyngre grunnstoffer. Når disse fusjonsprosessene starter vil karbonet og deler av oksygenet i den hvite dvergstjerna bli brukt opp i løpet av få sekunder, og den totale energien som frigjøres er mer enn nok til å blåse hele stjerna i filler. Materien slynges utover med hastigheter på mer enn ti tusen kilometer i sekundet, og det er dette vi observerer som en supernova.
Dette er i grove trekk en type Ia supernova, men detaljene i dette eksplosjonsscenariet er svært usikre. Bedre kjennskap til egenskapene til den hvite dvergstjerna før eksplosjonen og hvordan selve eksplosjonen starter og utvikler seg er nødvendig for å kunne forstå fysikken bak de observerte sammenhengene som man bruker for å gjøre type Ia supernovaene til standard lyskilder.
Hvordan kan SN 2011fe hjelpe ?
De fleste modellene man har i dag for Type Ia supernovaeksplosjoner forutsier at materien som slynges ut fra eksplosjonen har en lagdelt struktur, der hvert lag har en ulik sammensetning av grunnstoffer. Når dette materialet ekspanderer, vil det gradvis kjøles ned samtidig som tettheten synker. Ettersom tiden går vil det derfor bli mulig å studere stadig dypere lag av dette materialet. Gjentatte spektroskopiske målinger av SN 2011fe over de kommende månedene vil dermed kunne brukes til en detaljert "tomografisk" tredimensjonal analyse av eksplosjonsmaterialet. Fordi SN 2011fe er så nær oss vil man kunne måle mer detaljerte supernovaspektra enn noensinne tidligere, og spektra observert i de første timene og dagene etter oppdagelsen vil være spesielt verdifulle. Dette burde gi helt ny og unik informasjon om selve eksplosjonsprosessen og egenskapene til den hvite dvergen i forkant av eksplosjonen.
Er det mulig å se supernovaen ?
Det vil ikke på noe tidspunkt bli mulig å se supernovaen med det blotte øye, men lysstyrken øker nå raskt, og i første halvdel av september vil den tilsynelatende lysstyrken til supernovaen nå 10. størrelsesklasse. SN 2011fe vil dermed være synlig selv gjennom et lite teleskop som Galileoskopet og vil også kunne skimtes gjennom større prismekikkerter. Sett fra Norge er supernovaen sirkumpolar, dvs. den befinner seg over horisonten til enhver tid.
Illustrasjonen viser posisjonen til M101 i forhold til Karlsvogna. Kilde: Wikipedia.
Vertsgalaksen M101 befinner seg nær Karlsvogna på himmelen, og danner en likesidet trekant med Alkaid og Mizar (de to bakerste stjernene i "slepet" på Karlsvogna). M101 er en spiralgalakse av typen Sc, og langtidseksponeringer gjennom teleskoper viser en imponerende spiralstruktur som er dominert av nydannede lyssterke blå stjerner og stjernedannelsesområder langs spiralarmene. M101 er lyssterk nok til å kunne sees visuelt gjennom en prismeklikkert på en mørk nattehimmel uten sjenerende månelys eller lysforurensning. Fordi galaksen dekker et stort område på himmelen (nesten tre fjerdedeler av fullmånens diameter) vil den imidlertid fremtre som et svært diffust objekt som kan være vanskelig å få øye på ved første øyekast. Når supernovaen er nær sin maksimale lysstyrke kan det faktisk være adskillig lettere å se supernovaen enn vertsgalaksen.
Lenker:
- Oppdatert informasjon om SN 2011fe (lysstyrkemålinger og bilder)
- Mer om mørk energi.
- Informasjon om vertsgalaksen Messier 101 fra NASA Extragalactic Database (NED).
av Håkon Dahle.