Исследовательская группа в Институте физики и математики Вселенной Кавли (Kavli IPMU), состоящая из приглашенного ученого Тиаки Кобаяши, исследователя проекта в то время Шинг-Чи Люна (в настоящее время в Калифорнийском технологическом институте) и старшего научного сотрудника Кеничи Номото, использовала компьютерное моделирование для наблюдения за взрывом, ядерной реакцией, производством элементов и эволюцией содержания элементов в галактиках. В результате они установили жесткие ограничения на происхождение сверхновых типа Ia.

Сверхновая типа Ia - это тип сверхновой, который не связан со смертью массивной звезды. Вместо этого сверхновая типа Ia-это светящийся взрыв звезды, который происходит в двойной системе, где две относительно маломассивные звезды эволюционируют вместе. Из-за их относительно постоянной светимости сверхновые типа Ia использовались в качестве стандартной "свечи" для измерения расширения Вселенной, за что в 2011 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Однако звезда-прародительница сверхновой типа Ia неизвестна и уже около полувека является предметом споров.

"Как обычно для обычных сверхновых, сверхновые типа Ia производят "металлы"—или, в астрономических терминах, химические элементы тяжелее водорода и гелия, последняя пара прослеживает их происхождение до Большого взрыва—но сверхновые типа Ia производят различные элементы, такие как марганец (Mn), никель (Ni) и железо (Fe). Это содержание элементов может быть измерено в спектральных характеристиках ближайших звезд, которые хранят "запись" сверхновых из прошлого, как это делают окаменелости в археологии", - сказал Кобаяши, который также является адъюнкт-профессором в Университете Хартфордшира в Соединенном Королевстве. Таким образом, эволюция содержания элементов в галактиках может обеспечить строгое ограничение на истинное происхождение сверхновых типа Ia.

Звезды-прародители сверхновых типа Ia - это разновидность белых карликов, состоящих из углерода и кислорода. Белые карлики образуются после гибели звезд средней массы, где давление вырождения электронов поддерживает звезду от коллапса под действием собственной гравитации. Однако если белый карлик превысит свой верхний предел массы—также называемый пределом массы Чандрасекара (названный в честь физика Субраманьяна Чандрасекара)—это приведет к ядерным реакциям, которые заставят его взорваться.

Поэтому в двойной системе, содержащей белый карлик с массой, близкой к массе Чандрасекара, аккреция массы от звезды-компаньона может вызвать взрыв, который является одним из двух предложенных сценариев ("единственный вырожденный сценарий") для сверхновых типа Ia. В другом сценарии два белых карлика образуются в двоичной системе ("двойной вырожденный сценарий"), которые сливаются вместе, чтобы вызвать взрыв, а именно взрыв суб-Чандрасекара-массы.

Чтобы исследовать оба случая, исследовательская группа провела детальные расчеты (2-мерное гидродинамическое моделирование и нуклеосинтез) как взрывов вблизи Чандрасекара, так и субчандрасекара, а также рассчитала эволюцию галактики Млечный Путь, чего не было сделано в предыдущих исследованиях.

"Между этими двумя случаями мы находим критическую разницу в эволюции содержания элементов, в частности марганца", - объяснил Кобаяши. В первом моделировании взрыв обеспечил высокую температуру и высокую плотность вещества, где было произведено много марганца, в то время как во втором моделировании такого вещества не было, и, следовательно, было произведено недостаточно марганца.

Затем исследовательская группа включила количество производства каждого химического элемента в свою модель Галактики, чтобы предсказать эволюцию элементов в Млечном пути. По сравнению с данными наблюдений, а именно с содержанием элементов, измеренными в соседних звездах с помощью спектроскопии высокого разрешения, они обнаружили, что по меньшей мере 75 процентов сверхновых типа Ia являются взрывами вблизи Чандрасекара. В обоих случаях, как показало исследование, масса полученного железа примерно одинакова—то есть 60 процентов массы Солнца, что примерно в 10 раз больше, чем у обычных сверхновых от массивных звезд.

"Химическая эволюция галактик является мощным инструментом для решения давних проблем ядерной астрофизики. Не только содержание марганца, но и содержание никеля обновляются в наших расчетах с последними ядерными реакциями. Никель был перепроизводен в предыдущих расчетах, но теперь прогнозируемое изобилие согласуется с наблюдениями", - добавил Кобаяши. В результате их выводов проблема перепроизводства никеля окончательно решена после двух десятилетий исследований.

Что еще более интересно, исследовательская группа также показала, что больший вклад от субчандрасекаровских массовых взрывов предпочтительнее, чем от околосандрасекаровских массовых взрывов из доступных наблюдений в разных галактиках-карликовых сфероидальных галактиках вокруг Млечного Пути, например.

Кобаяши и ее команда отметили, что элементный состав миллионы звезд будут получены с текущих и будущих международных проектов, таких как апогей (точка обсерватории Апачи галактической эволюции эксперимента), Гермес-GALAH (Галактической археологии с Гермесом), плетение (бел увеличенная скорость-площадь проводника), 4MOST (4-метрового многоцелевого объекта спектроскопический телескоп), МСЭ (в Maunakea спектроскопический исследователь), в новой области исследования "Галактическая археология", или изучение истории галактики Млечный Путь, и их выводы будут проверены в дальнейших исследованиях.

ИСТОЧНИК