Credito d'immagine: ESO
I nuovi dati raccolti dal Very Large Telescope (VLT) dell'Osservatorio europeo meridionale sembrano indicare che le supernovae potrebbero non essere simmetriche quando esplodono: la loro luminosità cambia in base al modo in cui le guardi. Se sono più luminosi o più scuri a seconda di come li guardi, potrebbero causare errori nei calcoli della distanza. Ma la nuova ricerca indica che diventano più simmetrici nel tempo, quindi gli astronomi devono solo aspettare un po 'prima di fare i loro calcoli.
Un team internazionale di astronomi [2] ha eseguito osservazioni nuove e molto dettagliate di una supernova in una galassia lontana con l'ESO Very Large Telescope (VLT) presso l'Osservatorio Paranal (Cile). Mostrano per la prima volta che un particolare tipo di supernova, causato dall'esplosione di un "nano bianco", una stella densa con una massa attorno a quella del Sole, è asimmetrico durante le fasi iniziali dell'espansione.
Il significato di questa osservazione è molto più ampio di quanto possa sembrare a prima vista. Questo particolare tipo di supernova, designato come "Tipo Ia", svolge un ruolo molto importante negli attuali tentativi di mappare l'Universo. È stato a lungo ipotizzato che le supernovae di tipo Ia abbiano tutte la stessa luminosità intrinseca, guadagnando loro un soprannome di "candele standard".
In tal caso, le differenze nella luminosità osservata tra le singole supernove di questo tipo riflettono semplicemente le loro diverse distanze. Questo, e il fatto che la luminosità di picco di queste supernove rivaleggia con quella della loro galassia madre, ha permesso di misurare distanze anche di galassie molto remote. Alcune apparenti discrepanze che sono state recentemente trovate hanno portato alla scoperta dell'accelerazione cosmica.
Tuttavia, questa prima chiara osservazione dell'asimmetria di esplosione in una supernova di tipo Ia significa che l'esatta luminosità di un tale oggetto dipenderà dall'angolo da cui è visto. Poiché questo angolo non è noto per una particolare supernova, ciò introduce ovviamente una certa incertezza in questo tipo di misurazioni di distanza di base nell'Universo che devono essere prese in considerazione in futuro.
Fortunatamente, i dati VLT mostrano anche che se aspetti un po '- che in termini osservativi rende possibile guardare più in profondità nella palla di fuoco in espansione - allora diventa più sferico. Le determinazioni della distanza di supernovae che vengono eseguite in questa fase successiva saranno quindi più accurate.
Esplosioni di supernova e distanze cosmiche
Durante gli eventi di supernova di tipo Ia, i resti di stelle con una massa iniziale fino a poche volte quella del Sole (le cosiddette "stelle bianche nane") esplodono, lasciando dietro di sé solo una nuvola di "polvere di stelle" in rapida espansione.
Le supernovae di tipo I sono apparentemente abbastanza simili tra loro. Ciò fornisce loro un ruolo molto utile come "candele standard" che possono essere utilizzate per misurare le distanze cosmiche. La loro massima luminosità rivaleggia con quella della loro galassia madre, qualificandoli quindi come i principali parametri cosmici.
Gli astronomi hanno sfruttato questa fortunata circostanza per studiare la storia di espansione del nostro Universo. Recentemente sono arrivati alla conclusione fondamentale che l'Universo si sta espandendo a un ritmo accelerato, cfr. ESO PR 21/98, dicembre 1998 (vedi anche la pagina web della sonda di accelerazione supernova).
L'esplosione di una stella nana bianca
Nei modelli più ampiamente accettati di supernove di tipo Ia, la stella nana bianca pre-esplosione orbita attorno a una stella compagna simile al solare, completando una rivoluzione ogni poche ore. A causa della stretta interazione, la stella compagna perde continuamente massa, una parte della quale viene raccolta (in termini astronomici: "accrescita") dal nano bianco.
Una nana bianca rappresenta il penultimo stadio di una stella di tipo solare. Il reattore nucleare nel suo nucleo ha esaurito il combustibile molto tempo fa ed è ora inattivo. Tuttavia, ad un certo punto il peso di montaggio del materiale che si accumula avrà aumentato la pressione all'interno della nana bianca a tal punto che le ceneri nucleari lì dentro si accenderanno e inizieranno a bruciare in elementi ancora più pesanti. Questo processo diventa rapidamente incontrollato e l'intera stella viene fatta a pezzi in un evento drammatico. Si vede una palla di fuoco estremamente calda che spesso supera la galassia ospite.
La forma dell'esplosione
Sebbene tutte le supernove di tipo Ia abbiano proprietà abbastanza simili, non è mai stato chiaro fino ad ora quanto un simile evento sembrerebbe simile agli osservatori che lo vedono da direzioni diverse. Tutte le uova sembrano simili e indistinguibili l'una dall'altra se viste dalla stessa angolazione, ma la vista laterale (ovale) è ovviamente diversa dalla vista finale (rotonda).
E infatti, se le esplosioni di supernova di tipo Ia fossero asimmetriche, brillerebbero con luminosità diversa in direzioni diverse. Le osservazioni di diverse supernovae - viste sotto diverse angolazioni - non potevano quindi essere confrontate direttamente.
Non conoscendo questi angoli, tuttavia, gli astronomi deducono quindi distanze errate e la precisione di questo metodo fondamentale per misurare la struttura dell'Universo sarebbe in discussione.
Polarimetria in soccorso
Un semplice calcolo mostra che anche agli occhi d'aquila dell'interferometro VLT (VLTI), tutte le supernovae a distanze cosmologiche appariranno come punti di luce non risolti; sono semplicemente troppo lontani. Ma c'è un altro modo per determinare l'angolo in cui viene vista una particolare supernova: la polarimetria è il nome del trucco!
La polarimetria funziona come segue: la luce è composta da onde elettromagnetiche (o fotoni) che oscillano in determinate direzioni (piani). La riflessione o la dispersione della luce favorisce alcuni orientamenti dei campi elettrici e magnetici rispetto ad altri. Ecco perché gli occhiali da sole polarizzanti possono filtrare il luccichio della luce solare che si riflette su uno stagno.
Quando la luce si diffonde attraverso i detriti in espansione di una supernova, conserva le informazioni sull'orientamento degli strati di dispersione. Se la supernova è sfericamente simmetrica, tutti gli orientamenti saranno presenti allo stesso modo e avranno una media, quindi non vi sarà alcuna polarizzazione netta. Se, tuttavia, il guscio del gas non è rotondo, una leggera polarizzazione netta verrà impressa sulla luce.
"Anche per asimmetrie abbastanza evidenti, tuttavia, la polarizzazione è molto piccola e supera a malapena il livello dell'uno percento", afferma Dietrich Baade, astronomo dell'ESO e membro del team che ha eseguito le osservazioni. “Misurarli richiede uno strumento molto sensibile e molto stabile. ”
La misurazione in fonti di luce deboli e distanti di differenze a un livello inferiore all'1% è una sfida osservativa considerevole. "Tuttavia, il Very Large Telescope (VLT) dell'ESO offre la precisione, la potenza di raccolta della luce e la strumentazione specializzata necessaria per un'osservazione polarimetrica così impegnativa", spiega Dietrich Baade. “Ma questo progetto non sarebbe stato possibile senza il VLT in modalità di servizio. È davvero impossibile prevedere quando esploderà una supernova e dobbiamo essere sempre pronti. Solo la modalità di servizio consente osservazioni a breve termine. Alcuni anni fa, è stata una decisione lungimirante e coraggiosa da parte della direzione dell'ESO di porre così tanta enfasi sulla modalità di servizio. Ed è stato il team di astronomi ESO competenti e devoti su Paranal a rendere questo concetto un successo pratico ”, aggiunge.
Gli astronomi [1] hanno utilizzato lo strumento FORS1 multimodale VLT per osservare SN 2001el, una supernova di tipo Ia scoperta nel settembre 2001 nella galassia NGC 1448, cfr. Foto PR 24a / 03 ad una distanza di 60 milioni di anni luce.
Le osservazioni ottenute circa una settimana prima che questa supernova raggiungesse la massima luminosità intorno al 2 ottobre hanno rivelato una polarizzazione a livelli dello 0,2-0,3% (PR Foto 24b / 03). Quasi alla luce massima e fino a due settimane dopo, la polarizzazione era ancora misurabile. Sei settimane dopo il massimo, la polarizzazione era scesa al di sotto della rilevabilità.
Questa è la prima volta in assoluto che è stata trovata una normale supernova di tipo Ia che mostra prove così evidenti di asimmetria.
Guardando più in profondità nella supernova
Immediatamente dopo l'esplosione della supernova, la maggior parte della materia espulsa si muove a velocità intorno ai 10.000 km / sec. Durante questa espansione, gli strati più esterni diventano progressivamente più trasparenti. Con il tempo si può quindi guardare sempre più in profondità nella supernova.
La polarizzazione misurata in SN 2001el fornisce quindi la prova che le parti più esterne della supernova (che si vedono per la prima volta) sono significativamente asimmetriche. Successivamente, quando le osservazioni VLT “penetrano” più in profondità verso il cuore della supernova, la geometria dell'esplosione diventa sempre più simmetrica.
Se modellato in termini di una forma sferoidale appiattita, la polarizzazione misurata in SN 2001el implica un rapporto asse minore-maggiore di circa 0,9 prima che venga raggiunta la massima luminosità e una geometria sfericamente simmetrica da circa una settimana dopo questo massimo e oltre.
Implicazioni cosmologiche
Uno dei parametri chiave su cui si basano le stime della distanza di tipo Ia è la luminosità ottica al massimo. L'asfericità misurata in questo momento introdurrebbe un'incertezza di luminosità assoluta (dispersione) di circa il 10% se non fosse stata effettuata alcuna correzione per l'angolo di visione (che non è noto).
Mentre le supernove di tipo Ia sono di gran lunga le migliori candele standard per misurare le distanze cosmologiche, e quindi per studiare la cosiddetta energia oscura, persiste una piccola incertezza di misura.
"L'asimmetria che abbiamo misurato in SN 2001el è abbastanza grande da spiegare gran parte di questa intrinseca incertezza", afferma Lifan Wang, il leader del team. “Se tutte le supernovae di tipo Ia fossero così, ciò rappresenterebbe molta della dispersione nelle misurazioni della luminosità. Potrebbero essere anche più uniformi di quanto pensassimo. "
La riduzione della dispersione nelle misurazioni della luminosità potrebbe ovviamente essere ottenuta anche aumentando significativamente il numero di supernovae che osserviamo, ma dato che queste misurazioni richiedono i telescopi più grandi e costosi del mondo, come il VLT, questo non è il metodo più efficiente.
Pertanto, se invece fosse stata utilizzata la luminosità misurata una o due settimane dopo il massimo, la sfericità sarebbe stata ripristinata e non vi sarebbero errori sistematici dall'angolo di visione sconosciuto. Con questo leggero cambiamento nella procedura osservativa, le supernove di tipo Ia potrebbero diventare parametri cosmici ancora più affidabili.
Implicazioni teoriche
La presente rilevazione delle caratteristiche spettrali polarizzate suggerisce fortemente che, per comprendere la fisica di base, la modellazione teorica degli eventi di supernovae di tipo Ia dovrà essere effettuata in tutte e tre le dimensioni con più precisione di quanto non sia attualmente fatto. In effetti, i calcoli idrodinamici altamente complessi disponibili finora non sono stati in grado di riprodurre le strutture esposte da SN 2001el.
Maggiori informazioni
I risultati presentati in questo comunicato stampa sono stati descritti in un articolo di ricerca in "Astrophysical Journal" ("Spettropolarimetria di SN 2001el in NGC 1448: Asphericity of a Normal Type Ia Supernova" di Lifan Wang e coautori, Volume 591, p 1110).
Appunti
[1]: si tratta di un ESO coordinato / Lawrence Berkeley National Laboratory / Univ. del Texas Press Release. Il comunicato stampa di LBNL è disponibile qui.
[2]: Il team è composto da Lifan Wang, Dietrich Baade, Peter H? Flich, Alexei Khokhlov, J. Craig Wheeler, Daniel Kasen, Peter E. Nugent, Saul Perlmutter, Claes Fransson e Peter Lundqvist.
Fonte originale: Comunicato stampa ESO
