Évente körülbelül 1000 Ia típusú szupernóva lángol fel a látható égbolton. Ezek a felfénylések, majd az elhalványulások olyan szabályos lefutást követnek, hogy úgynevezett standard gyertyaként használják őket a szakértők: mivel a kérdéses robbanások abszolút fényessége jól ismert, látszólagos fényességükből egész pontosan meghatározható a távolságuk. A kozmoszról alkotott képünk az ilyen és hasonló standard gyertyákon alapul. Vegyük csak a kozmológia két legnagyobb rejtélyét:
Milyen gyorsan tágul a világegyetem? És miért gyorsul a tágulás? Mindkét kérdésre keresik a választ a szakértők, és közben nagymértékben támaszkodnak az Ia típusú szupernóvák segítségével végzett távolságmérésekre.
Ugyanakkor a távolságmérést némiképp elbizonytalanítja, hogy a kutatók nem értik teljesen, mi váltja ki ezeket a furcsán egyenlő méretű robbanásokat. Ha pedig többféleképpen is bekövetkezhetnek ezek a kozmikus események, az különösen elbizonytalanítaná az eddigi kozmikus méréseinket.
Az elmúlt évtizedben az egyik lehetséges teória nagyobb támogatást kapott a többinél az Ia típusú szupernóvákkal kapcsolatban. Utóbbi lényege, hogy a robbanás fehér törpék párosaira vezethető vissza. A szakértőknek most először sikerült számítógépen modellezniük egy Ia típusú robbanást, egy kettős fehér törpén alapuló szimulációban, ami újabb erős érvet jelent ezen elmélet mellett. A szimuláció azonban meglepetéseket is tartogatott, és rávilágított arra, hogy még nagyon sok mindent nem tudunk az univerzum egyik legfontosabb robbanástípusa mögötti hajtóerőkről.
Robbanékony törpék
Ahogy már említettük, a standard gyertyaként való használat feltétele, hogy a csillagászok ismerjék a kérdéses égitest vagy esemény tényleges, abszolút fényességet. Ezt aztán összehasonlítják azzal, hogy az objektum mennyire látszik fényesnek az égen, hogy kiszámítsák a távolságát.
Mark Phillips csillagász 1993-ban meghatározta, hogyan változik az Ia típusú szupernóvák fényessége az idő múlásával. Véleménye szerint szinte minden Ia típusú szupernóva ezt a görbét követi, amelyet Phillips-relációnak nevezünk. Ez a szabályosság, valamint a robbanások rendkívüli maximális fényessége, ami miatt több milliárd fényév távolságból is láthatók, a csillagászok által használt legerősebb standard gyertyákká teszi az Ia szupernóvákat. De mi az oka ennek a szabályosságnak?
A dolognak valószínűleg köze van a nikkelhez, ami első hallásra meglepő lehet. Amikor megjelenik az égen egy Ia típusú szupernóva, a csillagászok radioaktív nikkel-56 kiáramlását észlelik. És azt is tudják, hogy a nikkel-56 fehér törpékből származik, vagyis olyan halvány, halott csillagokból, amelyeknek csak egy sűrű, Földhöz hasonló méretű, szénből és oxigénből álló magja maradt meg, amelyet héliumburok vesz körül. Ezek a fehér törpék azonban inaktívak, a szupernóvák pedig nagyon nem azok. A rejtély lényegét pontosan az adja, hogyan kerülnek át az egyik állapotból a másikba.
Körülbelül 10 évvel ezelőttig az volt az uralkodó elmélet, hogy egy fehér törpe egy közeli „normál” csillagtól szív el a gázt, amíg el nem éri a kritikus tömeget.
A magja eddigre elég forró és sűrű lesz ahhoz, hogy beinduljon egy nukleáris láncreakció, és szupernóvaként felrobbanjon az égitest. 2011-ben azonban ezt az elméletet súlyos csapás érte: az elmúlt évtizedek legközelebbi Ia típusú szupernóváját, az SN 2011fe-t a robbanás olyan korai szakaszában észlelték, hogy a csillagászoknak lehetőségük nyílt kísérőcsillagot keresni. De nem találtak ilyet.
Új forgatókönyv
A kutatók érdeklődése ezért egy új elmélet, az úgynevezett D6-forgatókönyv felé fordult. A D6 elnevezés a „dinamikusan vezérelt kettős degenerált kettős detonáció” angol nevéből ered, amelyet Ken Shen, a Kaliforniai Egyetem asztrofizikusa ötlött ki.
A D6-forgatókönyv szerint egy fehér törpe csapdába ejt egy másik fehér törpét, és elszívja annak héliumát, ami olyan nagy hőt szabadít fel, hogy az első törpe héliumburkában beindul a magfúziót. A fuzionáló hélium lökéshullámot küld a törpe magjába, amely aztán felrobban.
Shen, az új teória kidolgozója azt is kitalálta, hogyan lehetne ellenőrizni elképzelése helyességét: Ha két fehér törpe kering egymás körül, és az egyik szupernóvaként felrobban, akkor nem marad semmi, ami a másikat megtartaná. Az így hirtelen szabadjára eresztett égitest kidobódik korábbi helyéről, és hipersebességű fehér törpévé válik. Ha tehát a D6-forgatókönyv helyes, akkor a hipersebességű fehér törpéknek gyakorinak kell lenniük. Ha téves, akkor viszont nem kellene, hogy ilyenek létezzenek.
A forgatókönyv tesztelésére először 2018-ban nyílt meg a lehetőség, amikor az Európai Űrügynökség a Gaia űrteleszkóp közreműködésével közzétette a Tejútrendszerben található objektumok új atlaszát. Az adatok publikálása napján Shen és csapata egész éjjel fent maradt, hogy elemezzék az információkat. Összesen három gyorsan mozgó fehér törpét találtak. Ez nem sok, de nem is nulla – ami viszont így még rejtélyesebb volt.
Szimulált szupernóvák
Ez idő tájt több csapat is nekilátott a D6-forgatókönyv teszteléséhez szükséges számítógépes szimulációknak. Shen és kollégái 2021-ben olyan szimulációkat tettek közzé, amelyek egy D6-robbanás utóhatásait modellezték le. Ennek során a radioaktív nikkel-56 magoknak további részecskékre kellene szétesniük, amelyek aztán hónapokig bomlanak tovább, és kölcsönhatásokba lépnek a szupernóva körüli anyagban. (A földi mangán, nikkel, kobalt, valamint vas nagy része valószínűleg ilyen reakciókban keletkezett.)
A fellépő káosz megragadása érdekében Shen és társai jelentősen leegyszerűsítették a matematikai hátteret: feltételezték, hogy a szupernóva tökéletesen gömb alakú, majd a középpontból kiinduló sugárzó egyetlen vonal mentén szimulálták a fizikát. Meglepő módon ez az „egydimenziós” szimuláció a megfigyelésekkel egyező fényességgörbét adott ki, amire maguk sem igazán számítottak.
Annak bizonyításán pedig, hogy a robbanás egyáltalán megtörténhet, két másik csoport kezdett dolgozni, kifinomult szuperszámítógépes szimulációkat fejlesztve a D6-forgatókönyv három dimenzióban való lejátszására. Az egyik csoport nemrég sikerrel meg is mutatta, hogy a D6-forgatókönyv révén valóban képződhet szupernóva. A Max Planck Asztrofizikai Intézet szakértői Ruediger Pakmor vezetésével egy sűrű héliumburokkal rendelkező primer fehér törpét szimuláltak, amely egy másik fehér törpével alkot egy rendszert. Ahogy a csillag egyre több héliumot szívott el a kísérőjéből, a külső réteg begyulladt.
A robbanás gyorsan körülölelte a fehér törpét, és lökéshullámot küldött mélyen a mag belsejébe, amelynek nyomán a szén és az oxigén felrobbant.
Pakmor szimulációi azonban egy furcsa eredményt is hoztak. A primer fehér törpén átvonuló lökéshullám egyes esetekben elég erővel csapódott a kísérőtörpébe ahhoz, hogy abban is beindítsa a szupernóvává válás folyamatát. Ez olyankor történt a szimulációkban, amikor a kísérőcsillag tömege a Napunk tömegének kevesebb mint 70%-a volt, ami elég gyakori a fehér törpék esetében.
Ha az ilyen rendszerekben gyakran fordul elő, hogy mindkét fehér törpe együtt alakul szupernóvává, az megmagyarázhatja, hogy miért látunk kevés hipersebességű fehér törpét. A csillagászok ugyanakkor egyelőre óvatosan fogadták Pakmor kettős szupernóva-szimulációjának hírét, amely kapcsán mindenképp további vizsgálatokra és megerősítésre lesz szükség.
A másik csapat, amelyet Robert Fisher vezetett a Massachusettsi Egyetemen, alapvetően ritkább héliumburkot használt, mint Pakmor. Szimulációikban azt látták, hogy a hélium lassabban gyullad be a törpe körül, és a keletkező lökéshullám a szén-oxigén maghoz képest egy középponton kívüli pontba konvergál.
A mag így viszont nem robbant fel Ia típusú szupernóvává.
Mindkét csoport kissé értetlenül áll az eredmények előtt. Pakmor csapata is próbálkozott ritkább héliumrétegekkel a Fisherékénél használtnál, de még ezekben az esetekben is azt találták, hogy az égitest szupernóvává vált. A másik csapat viszont sehogy sem tudott szupernóvát csiholni a fehér törpékből. Az egyik nagy kihívás ezekkel a szimulációkkal kapcsolatban az, hogy a héliumburok sűrűségével és sok körülménnyel kapcsolatban is csak találgatnak a szakértők. A másik probléma, hogy a csillagméretű objektumok szimulálásához a szimulációkban kilométeres darabokra osztják a teret, a robbanást kiváltó hőfókuszálás azonban centiméteres nagyságrendekben történik. A tudósoknak így döntéseket kell hozniuk arról, hogy miként ragadhatják meg ezen eltérő léptékek között a kölcsönhatást.
Az Ia típusú szupernóvák keletkezésével kapcsolatban továbbra is sok a nyitott kérdés. Amíg az ellentmondásokat nem sikerül feloldani, mindkét kutatócsoport óvatos a következtetésekkel kapcsolatban, így azzal is, hogy a D6-forgatókönyv felelős-e az összesért vagy legalábbis az Ia szupernóvák többségéért.
Persze végre látni egyet felrobbanni egy szuperszámítógépen, mindenképp fontos előrelépés. Kettőt látni pedig óriási meglepetés.
