2014.02.28. - A csillagmag lötyögése is okozhatja a szupernóva-robbanást

A NASA NuSTAR űrtávcsövének új mérései alapján fény derülhet az asztrofizikai legnagyobb rejtélyeinek egyikére, mégpedig arra, hogy a nagy tömegű csillagok hogyan robbannak fel szupernóvaként.

A hidrodinamikában régóta ismert és gondosan tanulmányozott jelenség a tartályba zárt folyadékok belső hullámzása, lötyögése. A nagy üzemanyagtartályokban lötyögő folyadék és a tartály, illetve a tartályt szállító eszköz kölcsönhatásának ismerete kritikus a hatalmas tartályhajók tervezésénél vagy a rengeteg folyékony üzemanyaggal induló rakéták méretezésénél. A folyadékok lötyögését szimuláló számítógépes modellek mára már igen fejletté váltak és csak idő kérdése volt, hogy egy csillagásznak mikor jut eszébe egy csillag magját viszkózus, tartályba zárt folyadéknak tekinteni és azt vizsgálni, mi történik, ha a folyékony csillagmag belső zavarok hatására hullámzani, lötyögni, esetleg "habzani" kezd.

Ma sem teljesen ismert, hogy miként robbannak szét egyes nagytömegű csillagok a szupernóva-robbanások során. Bár több modell számítógépes futtatásával próbálják az elméleti asztrofizikával foglalkozók lemásolni a robbanáshoz vezető folyamatokat, az még nem dőlt el, melyik elmélet írja le a legpontosabban a valóságot. Egy dolog biztos: a csillag magjában instabilitásnak, aszimmetriának kell fellépni, ami később a katasztrofális robbanás kiindulópontja lesz. Egy elmélet használhatóságát és jóságát az jellemzi, mennyi ismert mérési adatot magyaráz meg és mennyire megbízhatók a belőle levonható következtetések, jóslatok. Az ritka szerencse, amikor egy viszonylag friss modell, a folyadékként lötykölődő csillagmag viselkedésére kapott eredményekbe pontosan beleilleszkednek egy új űreszköz mérési adatai.

A felső sor képei a szupernóva-robbanás jet-modelljét, illetve a mag lötykölődését feltételező modellt mutatják. Az alsó sorban a Cas A korábbi röntgenképe (balra) és a titán 44-es izotópja NuSTAR által mért röntgensugárzásának eloszlása látható.
[NASA/JPL-Caltech/CXC/SAO/SkyWorks Digital/Christian Ott]

A Cassiopeia A (Cas A) közeli szupernóva-maradványban már korábban felfedezték, hogy a titán 44-es és a nikkel 56-os izotópja röntgensugárzásának egymáshoz viszonyított, mért arányából, továbbá az optikai és a röntgensugárzás eloszlásában megfigyelhető jet-szerű képződmény jelenlétéből a robbanás aszimmetrikus jellegére lehet következtetni. Viszont kizárható, hogy a robbanás szigorúan gömbszimmetrikus volt és az is, hogy a gyorsan forgó csillagmagok összeomlására jellemző aszimmetrikus, igen szűk gázsugarakba (jet-ekbe) összpontosult a kitörés anyaga és energiája. A COMPTON, a BEPPO-SAX, az RXTE és az INTEGRAL mesterséges holdak röntgensugár-detektorainak csekély felbontóképessége miatt ennél részletesebb képet eddig nem tudtunk a Cas A-ról összeállítani. 2012 augusztusa és 2013 júniusa között viszont a 2012. június 13-án pályára állított NuSTAR röntgentávcső a korábbinál legalább 10-100-szor jobb leképezést adó detektoraival részletesen feltérképezte a Cas A-t. A méréseket a titán 44-es izotópjának 67,86 keV-es röntgenvonalain végezték. Az adatok elemzése során két fontos eredményre jutottak. Az első, hogy sikerült meghatározni a táguló gömbhéjban található 44-es titán össztömegét, ez nagyjából egy tízezred naptömegnek adódott. A második, hogy a sugárzás Doppler-eltolódásából a kidobott anyag tágulási sebességére 5000 km/s-ot kaptak. Az észlelt intenzitáseloszlásból a Cas A térképe is felrajzolhatóvá vált. Eszerint a titán 44-es izotóp eloszlása a korábban talált jet-ek irányban kissé elnyúltnak látszik, de az egész eloszlásban sok kisebb intenzitáscsomó is megfigyelhető. Mivel a titán 44 a szupernóva magjának robbanó felszíne közelében szintetizálódik, a megfigyelhető eloszlásból a mag kezdeti szimmetriaviszonyaira következtethetünk. Az eredmények szerint ez nem ellentétes irányba kidobott gázsugarakra, de nem is szabályos gömbhéjszerű tágulásra utal. A megfigyelhető csomósodás úgy magyarázható, hogy a magban a robbanást megelőzően folyadékszerű viselkedés, belső hullámzás, lötyögés lépett fel és ennek helyi sűrűségingadozásokat okozó hatása miatt néhol megszaladt a nukleoszintézis, majd az egész folyamat a szupernóva-robbanásban teljesedett ki.

A NuSTAR speciális, nagy szögfelbontású röntgentávcsövének leképező optikái egy 10 méter hosszú árboc végén helyezkednek el. A röntgendetektor és az adatfeldolgozó egység az űrszonda fő egységében foglal helyet. A NuSTAR érdekessége, hogy egy 12 ezer méter magasan szálló repülőről indították egy PEGAZUS típusú, kisméretű hordozórakétával, amely a repülőről leválva, vízszintesen gyorsult fel, majd függőleges irányba fordulva Föld körüli pályára állította a Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) holdat.
[NuSTAR]

Az eredményeket részletező szakcikk a Nature magazin 2014. február 20-i számában jelent meg.

Forrás:

• Nature 2014.02.20.