(a) Esplosioni di massa vicino a Chandrasekhar:in un sistema binario di una nana bianca fatto di carbonio e ossigeno, l'accrescimento di massa dalla stella compagna (una stella di sequenza principale o gigante rossa) provoca venti di materiale dalla nana bianca, che regola l'accrescimento di massa sulla nana bianca, e aumenta la massa della nana bianca. Le onde subsoniche dell'esplosione al centro della massa nana bianca vicino a Chandrasekhar innescano una detonazione in periferia. Questa esplosione può produrre molto manganese (Mn) e nichel (Ni) oltre che ferro (Fe). (b) Un esempio di esplosioni di massa sub-Chandrasekhar:in un sistema binario di due nane bianche (almeno una nana bianca è costituita da carbonio e ossigeno), quello più piccolo viene interrotto dalle forze di marea e si fonde con quello più grande. Una detonazione in una sottile busta di elio attorno alla nana bianca innesca una detonazione del carbonio al centro. Questa esplosione può produrre più silicio (Si) e zolfo (S), così come il ferro (Fe), e carbonio incombusto e ossigeno. Credito:The Astrophysical Journal
Un gruppo di ricerca presso il Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) composto dal Visiting Scientist Chiaki Kobayashi, Ricercatore di progetto all'epoca Shing-Chi Leung (attualmente al California Institute of Technology), e lo scienziato senior Ken'ichi Nomoto hanno utilizzato simulazioni al computer per seguire l'esplosione, reazione nucleare, produzione di elementi, ed evoluzione delle abbondanze elementali nelle galassie. Di conseguenza, hanno posto vincoli stringenti sull'origine delle supernove di tipo Ia.
Una supernova di tipo Ia è un tipo di supernova che non è correlato alla morte di una stella massiccia. Anziché, una supernova di tipo Ia è un'esplosione luminosa di una stella che si verifica in un sistema binario, dove due stelle di massa relativamente bassa si stanno evolvendo insieme. A causa della loro luminosità relativamente costante, Le supernove di tipo Ia sono state utilizzate come "candela" standard per misurare l'espansione dell'universo, un risultato per il quale è stato assegnato il Premio Nobel 2011 per la Fisica. Però, la stella progenitrice di una supernova di tipo Ia è sconosciuta, ed è stato oggetto di dibattito per circa mezzo secolo.
"Come al solito per le normali supernove, Le supernove di tipo Ia producono "metalli" o, in termini astronomici, elementi chimici più pesanti dell'idrogeno e dell'elio, quest'ultima coppia che fa risalire la sua origine al Big Bang, ma le supernove di tipo Ia producono elementi diversi, come manganese (Mn), nichel (Ni), e ferro (Fe). Queste abbondanze elementali possono essere misurate nelle caratteristiche spettrali delle stelle vicine, che conservano un "record" di supernovae del passato, come fanno i fossili in archeologia, '' Kobayashi, che è anche professore associato presso l'Università dell'Hertfordshire nel Regno Unito, disse. Perciò, l'evoluzione delle abbondanze elementali nelle galassie può fornire un vincolo stringente sulla vera origine delle supernove di tipo Ia.
Le stelle progenitrici delle supernove di tipo Ia sono un tipo di nana bianca composta da carbonio e ossigeno. Le nane bianche si formano dopo la morte di stelle di massa intermedia, dove la pressione di degenerazione elettronica sostiene la stella contro il collasso sotto la sua stessa gravità. Però, se una nana bianca supera il suo limite di massa superiore, chiamato anche limite di massa di Chandrasekhar (dal nome del fisico Subrahmanyan Chandrasekhar), questo porta a reazioni nucleari che ne fanno esplodere.
Perciò, in un sistema binario contenente una nana bianca di massa quasi Chandrasekhar, l'accrescimento di massa da una stella compagna può causare un'esplosione, che è uno dei due scenari proposti (lo "scenario degenere singolo") per le supernove di tipo Ia. Nell'altro scenario, due nane bianche si formano in un sistema binario (il "doppio scenario degenere"), che si fondono per provocare un'esplosione, vale a dire, un'esplosione di massa sub-Chandrasekhar.
Evoluzione dell'ossigeno (a sinistra) e del manganese (a destra) nelle vicinanze solari della Via Lattea. L'asse x mostra la metallicità (abbondanza di ferro rispetto all'idrogeno), che è un proxy del tempo crescente da sinistra a destra. L'asse y mostra le abbondanze di ossigeno e manganese, rispetto al ferro. I punti sono per le abbondanze elementari osservate nelle stelle vicine con la spettroscopia ad alta risoluzione. Dal confronto, si è scoperto che almeno il 75% delle supernove di tipo Ia sono esplosioni di massa vicine a Chandrasekhar. Credito:The Astrophysical Journal
Per indagare su entrambi i casi, il team di ricerca esegue calcoli dettagliati (simulazioni idrodinamiche bidimensionali e nucleosintesi) di esplosioni di massa vicine a Chandrasekhar e sub-Chandrasekhar, e calcolato l'evoluzione della Via Lattea, qualcosa che non era stato fatto nella ricerca precedente.
"Tra questi due casi, troviamo una differenza critica nell'evoluzione delle abbondanze elementali, in particolare per l'elemento manganese, '' ha spiegato Kobayashi. Nella prima simulazione, l'esplosione ha fornito materia ad alta temperatura e ad alta densità in cui è stato prodotto molto manganese, mentre nella seconda simulazione, non esisteva tale materia e quindi non veniva prodotto abbastanza manganese.
Il team di ricerca ha quindi incorporato la quantità di produzione di ciascun elemento chimico nel proprio modello di galassia per prevedere l'evoluzione degli elementi nella Via Lattea. Rispetto ai dati osservativi, vale a dire, abbondanze elementari misurate in stelle vicine con spettroscopia ad alta risoluzione, hanno scoperto che almeno il 75% delle supernove di tipo Ia sono esplosioni di massa vicine a Chandrasekhar. In entrambi i casi, la ricerca ha trovato, la massa di ferro prodotta è più o meno la stessa, cioè Il 60 percento della massa del Sole, che è circa 10 volte più grande rispetto alle normali supernove di stelle massicce.
"L'evoluzione chimica delle galassie è potente per risolvere problemi di vecchia data nell'astrofisica nucleare. Non solo il manganese, ma anche le abbondanze di nichel sono aggiornate nei nostri calcoli con le ultime reazioni nucleari. Il nichel era sovraprodotto nei calcoli precedenti, ma ora l'abbondanza prevista è coerente con le osservazioni, '' ha aggiunto Kobayashi. A seguito delle loro scoperte, il problema della sovrapproduzione di nichel è finalmente risolto, dopo due decenni di studi.
Più interessante, il team di ricerca ha anche mostrato che un contributo maggiore dalle esplosioni di massa sub-Chandrasekhar è preferito alle esplosioni di massa vicino a Chandrasekhar dalle osservazioni disponibili in diverse galassie:galassie sferoidali nane intorno alla Via Lattea, Per esempio.
Kobayashi e il suo team hanno notato che le abbondanze elementali di milioni di stelle saranno ottenute con progetti internazionali in corso e futuri, come APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment), HERMES-GALAH (Archeologia Galattica con HERMES), WEAVE (WHT Enhanced Area Velocity Explorer), 4MOST (telescopio spettroscopico multioggetto da 4 metri), MSE (The Maunakea Spectroscopic Explorer), nella nuova area di ricerca di "Archeologia Galattica, " o lo studio della storia della Via Lattea, e i loro risultati saranno ulteriormente testati nella ricerca futura.
