»Totalt surrealistisk«: Danske bachelor-studerende bag Nature-studie om en supernova

Mange forskere knokler gennem hele deres karriere uden nogensinde at lykkes med at få et studie trykt i det anerkendte og prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Nature.

Men en gruppe fysikstuderende fra Aalborg Universitet (AAU) er startet på toppen. Deres bachelorprojekt, som gransker en eksploderet stjerne – en supernova – er nemlig netop blevet publiceret i det internationale tidsskrift.

»Det er totalt surrealistisk at få en artikel i Nature,« siger Hans Christian Gjedsig Larsen, som er en af de fem studerende bag det nye studie. »Jeg ved ikke helt, hvordan jeg skal have det med det. Alle andre omkring os kan ikke få armene ned.«

De studerendes vejleder, professor Thomas Tauris, er da også tydeligt imponeret over sine elevers indsats.

»Det kom fuldstændig bag på mig, hvordan de har formået at lave et så stærkt stykke arbejde i deres bachelorprojekt,« siger Thomas Tauris, som er professor i teoretisk astrofysik og medforfatter til det nye studie.

»Det er jo helt uhørt, at man som bachelorstuderende kommer i et tidsskrift på den allerøverste hylde, og det vidner om deres solide arbejde og indsats.«

Professor i astronomi ved Københavns Universitet, Johan Fynbo, påpeger også, at der er tale om et »fremragende« stykke arbejde, som bygger på komplicerede analyser af begivenheder, der har fundet sted tusindvis af lysår fra klasselokalerne i Aalborg.

I rette med tidligere Nature-udgivelse

I det nye studie går de fem studerende på opfordring af deres vejleder Thomas Tauris i rette med en tidligere Nature-artikel, som ikke holder vand.

De studerende granskede det tidligere Nature-studie i deres bachelorprojekt, og i juni var gruppen til eksamen. De fik et solidt 12-tal for projektet.

»Efter vores eksamen skrev vi den videnskabelige artikel og sendte den til Nature, og efter et par måneder fik vi at vide, at de gerne ville bringe den,« siger Claudia Larsen fra gruppen, der også bestod af Casper Christian Pedersen, Jonatan Tøffner-Clausen og Peter Nørgaard Thomsen.

En stjerne eksploderede

Udgangspunktet for gruppens forskning var observationer af to himmellegemer, der kredser om hinanden cirka 11.000 lysår fra Jorden. Det ene objekt er en meget stor og klar stjerne, mens det anden er en såkaldt neutronstjerne.

Neutronstjernen er den uhyre tætte og kompakte rest af en stor stjerne, der er eksploderet som en supernova. Den har større masse end Solen, selv om den kun er 20-25 km i diameter.

Den store stjerne og neutronstjernen kredser en omgang om hinanden på cirka 59,7 døgn i et kredsløb, som er meget tæt på at være en perfekt cirkel.

Spørgsmålet er nu, hvordan dette system er blevet dannet – specielt hvilken slags stjerne, der engang er eksploderet som en supernova, og hvordan eksplosionen er foregået. Og det er her, Thomas Tauris og de studerende fra AAU er uenige med de forskere fra USA og New Zealand, der står bag den tidligere artikel fra februar 2023.

De udenlandske forskere vurderede, at neutronstjernen måtte være blevet skabt i en yderst sjælden type supernovaeksplosion. Ellers ville neutronstjernen være suset væk fra sin makker – den store stjerne – i eksplosionen, konkluderer forskerne.

Beregninger fra de danske studerende viser derimod, at en helt almindelig slags supernova sagtens kan give anledning til det samme system bestående af en normal, stor stjerne og en neutronstjerne, som cirkler om hinanden.

Sjælden supernova eller ej?

Mere specifikt argumenterede forskerne bag det første studie for, at det var en ganske særlig og sjælden form for supernova kaldet en ’ultra-stripped supernova’, der var på spil i stjernesystemet.

Sådan en supernova er forholdsvis svag, og den kaster ikke meget stjernestof af sig. Det kunne forklare, hvordan en af stjernerne i dobbeltsystemet kunne eksplodere som en supernova og ende som en neutronstjerne, uden at kredsløbet blev forstyrret ret meget.

Sagt på en anden måde mente forskerne, at kun en ultra-stripped supernova kunne forklare, hvordan stjernen og den nydannede neutronstjerne kunne fortsætte med at kredse tæt om hinanden i et næsten cirkulært kredsløb.

Men for professor Thomas Tauris, der har forsket i disse særlige supernovaer, lød denne oprindelseshistorie ikke særlig sandsynlig. Han foreslog derfor gruppen af bachelorstuderende, at de skulle regne på, hvordan sådan et stjernesystem kunne opstå.

Fysikken i dobbeltsystemet blev modelleret

Gruppen brugte matematisk modellering til at finde ud af, hvad der egentlig sker med et dobbeltstjernesystem, når en af stjernerne eksploderer som en supernova.

»Vi har selv bygget modellen op og programmeret den i Python (programmeringssprog, red.), efter at vi havde udledt ligningerne for kinematikken, altså bevægelserne i systemet,« siger den studerende Peter Nørgaard Thomsen, som også er medforfatter til det nye studie.

Når en stjerne eksploderer i en supernova, vil det meget ofte betyde, at den får så meget fart på, at den helt forlader sin ledsager. Med andre ord bliver dobbeltstjernesystemet altså ødelagt.

Men det kan altså også ske, at de to objekter forbliver sammen, som det er tilfældet for systemet, som de studerende har haft under luppen – et system der blandt forskere er kendt under navnet SGR 0755−2933 (CPD −29 2176).

Millioner af løsninger blev undersøgt

De studerende simulerede millioner af systemer med forskellige begyndelsesbetingelser, og de fandt ud af, at det absolut er muligt at få dannet et system, der ser ud som SGR 0755−2933 (CPD −29 2176), uden at der er brug for en sjælden, ultra-stripped supernova.

Faktisk fandt de ud af, at der er mere end 92 procents chance for, at det var en helt almindelig supernova.

»Vi har fundet ud af, at der er mange forskellige muligheder for at danne systemet, som det ser ud i dag. Mange flere muligheder, end der blev fremlagt i den tidligere artikel,« fortæller Hans Christian Gjedsig Larsen.

Pointen er altså, at gruppen har regnet sig frem til, at det sagtens kan have været en almindelig supernova, der har efterladt en neutronstjerne i kredsløb om sin makker. De to objekter forlader ikke nødvendigvis hinanden ved eksplosionen, og de kan godt kredse rundt om hinanden i et næsten cirkulært kredsløb bagefter.

Johan Fynbo, der er professor i astronomi ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet, var censor til gruppeeksamenen. Han har læst den nye Nature-artikel, og han har kun ros til overs for de studerendes arbejde:

»Fremragende! Det er ret komplicerede analyser, de studerende har lavet af de mulige stjernesystemer, der kan have dannet det observerede dobbeltsystem,« siger han og fortsætter:

»De har også været under kyndig vejledning. Thomas Tauris er vel den førende i verden i den slags analyser.«

Yderligere observationer er nødvendige

Forskerne bag den første artikel om systemet er dog ikke overbeviste om, at de studerende har ret. De mener stadig, at SGR 0755−2933 (CPD −29 2176) må være resultatet af en ultra-stripped supernova.

Det skriver førsteforfatter på studiet, Noel Richardson, i en mail til Videnskab.dk.

Han fastholder, at himmellegemernes hastighed og deres cirkulære kredsløb om hinanden bedst forklares med en meget svag supernova, men samtidig efterlyser han yderligere forskning:

»I bund og grund viser disse resultater, at vi er nødt til at opdage og karakterisere et stort antal systemer som dette. Vi har brug for et statistisk grundlag for at afprøve vores teorier for dannelsen af systemerne og opnå en bedre forståelse af det univers, vi lever i.«

Thomas Tauris hilser idéen om mere forskning velkommen, men han forstår ikke, at Noel Richardson fastholder sin oprindelige forklaring.

»Vores statistiske beregninger viser, at der er 92 procents chance for, at det ikke er en ultra-stripped supernova,« fastslår han og tilføjer, at idéen heller ikke stemmer overens med teorien på området.

»Så det er en meget usandsynlig forklaring,« slutter han.