 |
Mysterious stellar explosions: homogeneity and diversity of supernovae
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
112325 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Szalai, Tamás |
| Title in Hungarian |
Rejtélyes csillagrobbanások: a szupernóvák homogenitása és változatossága |
| Title in English |
Mysterious stellar explosions: homogeneity and diversity of supernovae |
| Keywords in Hungarian |
csillagászat, asztrofizika, változócsillagok, szupernóvák, csillagászati fotometria, spektroszkópia |
| Keywords in English |
astronomy, astrophysics, variable stars, supernovae, astronomical photometry, spectroscopy |
| Discipline |
| Astrophysics (Council of Physical Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
Department of Experimental Physics (University of Szeged) |
| Starting date |
2015-01-01 |
| Closing date |
2018-06-30 |
| Funding (in million HUF) |
20.730 |
| FTE (full time equivalent) |
2.93 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az SZTE Asztrofizikai Kutatócsoportjának tagjaként a célom szupernóva-robbanások tanulmányozása, amely napjaink asztrofizikájának egyik kiemelt fontosságú területe.
Kutatómunkám egyik célkitűzése közeli, fényes szupernóvák részletes vizsgálata, ami elősegítheti a kozmikus csillagrobbanások eredetének és tulajdonságaik mélyebb megértését. A kutatás alapját kiterjedt hazai és nemzetközi együttműködéseink révén elérhető, nagy mennyiségű adatsor képezi: Magyarország legnagyobb, 50-100 cm átmérőjű távcsöveit használva a szupernóvák fotometriai követésére, míg két, 9 méter kategóriájú teleszkóp, a HET és a SALT használata révén jó minőségű spektrumok készítésére van lehetőségünk. Emellett űrtávcsöves (Swift, HST, Spitzer) és további földi megfigyelések felhasználásával az optikai tartományon kívüli vizsgálatokat is tervezek végezni. A tervezett analízis magában foglalja spektrális és fénygörbe-modellező programok alkalmazását, amelyek révén meg tudom határozni a táguló maradvány és a szülőobjektum (progenitor) fizikai paramétereit.
Kutatásaim további célja a különleges, halvány szupernóvák összehasonlító spektroszkópiai analízise, többek között a fotoszférikus sebességek megbízható meghatározása. Ezen vizsgálatokhoz, amelyek célja ezen különleges robbanások színképi homogenitásának és diverzitásának feltárása, numerikus spektrummodellező kódok alkalmazását tervezem.
A harmadik fő cél szupernóvák felfedezése a Hobby-Eberly Dark energy EXperiment (HETDEX) spektroszkópiai égboltfelmérés adatainak vizsgálata során. A várt, nagyszámú (~100) új objektum lehetőséget teremt a különböző típusú csillagrobbanások és szülőgalaxisaik tulajdonságainak statisztikai elemzésére.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Jelenlegi ismereteink szerint a szupernóvák két alaptípusba sorolhatóak. A termonukleáris (Ia típusú) szupernóvák az elfogadott nézet szerint kettős rendszerben lévő, a normál társkomponensről anyagot akkretáló fehér törpecsillagok végső robbanásai ('single-degenerate' modell). Egy alternatív elmélet szerint viszont fehértörpe-kettősök összeolvadása is kiválthat ilyen eseményt ('double-degenerate' modell). Fontos kérdés, hogy az elméletek közül melyik szolgál valódi magyarázatként az Ia típusú szupernóvák eredetére, vagy esetleg mindkettő az.
A másik nagy kategória a kollapszár szupernóva-robbanások, amelyek 8 naptömegnél nehezebb csillagok vasmagjának gravitációs összeomlása során mennek végbe. Azt nagyjából világosan látjuk, hogy az egyes típusok és a robbanások tulajdonságai elsősorban attól függnek, mekkora része dobódott le a szülőcsillagnak a robbanás előtti anyagvesztési folyamatok során. Ez közvetlen összefüggésben van a csillag kezdeti tömegével, ugyanakkor kérdéses, hogy pontosan hogyan befolyásolja ezt és a robbanás menetét a csillagkörüli anyaggal való kölcsönhatás vagy egy esetleges társkomponens jelenléte.
A szupernóvák egyre kiterjedtebb monitorozása révén ezen objektumok diverzitása egyre növekedni látszik. Az utóbbi években egyre több olyan eseményt is felfedeznek, amelyek jelentősen különböznek a 'normál' szupernóváktól (pl. szuperfényes szupernóvák, SN-imposztorok).
Összefoglalva, a szupernóvák eredetét és jellemzőit illetően sok még a nyitott kérdés, különösen a robbanások szülőobjektumait illetően.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett kutatások célja, hogy hozzájárulhassak a szupernóva-kutatás néhány fontos, nyitott kérdésének megválaszolására tett, kollektív tudományos erőfeszítésekhez. Az egyik terület a korábban nagyjából homogénnek gondolt, Ia típusú robbanások egyre növekvőnek tűnő diverzitása. Mind az egyedi objektumok részletes vizsgálata, mind a HETDEX-felfedezések alapján remélt statisztikai elemzések közelebb vihetnek annak megértéséhez, milyen okok vezetnek a különböző termonukleáris kataklizmák ('normál' Ia típusú szupernóvák, szuper-Chandrasekhar robbanások, szubluminózus szupernóvák stb.) kialakulásához. Az Ia szupernóvák közeli képviselői egyúttal lehetőséget adnak a kozmikus távolságmérési eljárások megbízhatóságának tesztelésére. Ez, és az Ia szupernóvák homogenitás-vizsgálata is különösen fontos az ezekre az objektumokra épülő, az Univerzum gyorsuló tágulását alátámasztani látszó mérési módszerek (melyekért 2011-ben a fizikai Nobel-díjat odaítélték) igazolására.
A közeli kollapszár szupernóvák esetében a legfontosabb eredmény az egyes progenitorok paramétereinek meghatározása lehet. A nagyon korai fázisban felfedezett, fotometriai és spektroszkópiai mérésekkel is jól lefedett szupernóvák vizsgálata ígéretes lehetőségeket rejt a szülőcsillagok méretének, egyúttal közvetve típusuk meghatározását illetően. Emellett további érdekes folyamatok, így a táguló maradvány és a csillagkörüli anyag kölcsönhatása is a tanulmányozandó jelenségek listáján szerepel.
Általános célnak tekinthető, hogy a szupernóvák vizsgálata fontos lépés a csillagok és az Univerzum fejlődésével kapcsolatos, nyitott kérdések megválaszolásában. Ezek a témák egyúttal alkalmasak arra is, hogy felkeltsék a fizika és a természettudományok iránt fogékony diákok érdeklődését a kutatói pálya iránt.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az Univerzum legnagyobb energiakibocsátással járó eseményei közé tartozó szupernóva-robbanások (azaz a Napnál jóval nagyobb tömegű csillagok, illetve kettős rendszerben lévő fehér törpecsillagok végső, kataklizmikus robbanásainak) vizsgálata napjaink asztrofizikájának egyik kiemelt fontosságú területe. A szupernóváknak jelentős szerepük van a kémiai elemek keletkezésében (különösen a vasnál nehezebb elemek esetében) és a kozmikus anyagkörforgásban, így közvetett módon az általános csillag- és galaxisfejlődési folyamatokban is.
Nagy luminozitásuk révén közeli extragalaxisok távolságmérése mellett kozmológiai léptékű távolságmeghatározásra is felhasználhatók (2011-ben az utóbbi témában munkálkodó kutatók érdemelték ki a fizikai Nobel-díjat). Emellett a szupernóvák környezetére jellemző, extrém fizikai körülmények (magas hőmérséklet, erős mágneses tér) egzotikus fizikai folyamatok (pl. relativisztikus sebességgel mozgó részecskék, lökéshullámok) vizsgálatát is lehetővé teszik.
Mindezen okok miatt különösen fontos a szupernóvák különböző hullámhossz-tartományokban zajló, alapos tanulmányozása. Tervezett kutatómunkám során Magyarország legnagyobb távcsövei mellett két, a világ élvonalába tartozó teleszkóp (a 9,2 m átmérőjű, texasi Hobby-Eberly Telescope és az azonos méretű South African Large Telescope) méréseit használom majd, s különböző űrtávcsövek (Swift, Hubble, Spitzer) adatait is lesz lehetőségem elemezni.
A megfigyelési eredményeket széleskörű elméleti háttérismerettel kombinálva (beleértve különböző számítógépes modellezőprogramok használatát) a célom, hogy hozzájáruljak ezen rejtélyes csillagrobbanások fizikai jellemzőinek és eredetének mélyebb megértéséhez.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
As a postdoc fellow of the astrophysical research group at the University of Szeged, I plan to study supernova (SN) explosions, which is one of the hottest topics of modern astrophysics.
One of my specific goals is the detailed analysis of bright, nearby stellar explosions (at least 4-5 during the project) that offer a good chance to deepen our understanding of origin and properties of SNe. This research is based on large amount of various observational data available to our group due to our strong local and international collaborations; we have a regular access to 0.5-1.0m telescopes in Hungary for photometric observations, and to 9m-class telescopes (HET, SALT) to obtain high-quality optical spectra. Moreover, the expected availability of data of space telescopes and some other ground-based telescopes will extend my studies to other parts of the electromagnetic spectrum. The proposed analysis includes spectral and light curve modeling to determine physical parameters of the ejecta and the progenitor stars.
My another goal is a comparative spectroscopic analysis and re-determination of photospheric velocities of peculiar, faint SNe using numerical modeling codes to study the spectral homogeneity and diversity, and also the physical properties of these objects.
The third part of my research plan is to participate in discovery and classification of new SNe in the data of the Hobby-Eberly Dark energy EXperiment (HETDEX), a unique spectroscopic survey in which our group has been involved. The expected number (~100) of newly-found objects will be allow to carry out statistical studies comparing the properties of nearby and more distant SNe and of their host galaxies.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
According to the standard belief, there are two main types of supernovae. Thermonuclear (or Type Ia) SNe are generally thought to be the final explosions of C-O white dwarf (WD) stars which accrete matter from their normal companions in binary systems ('single-degenerate' model); but some of these events might be the results of merging WD binaries ('double-degenerate' model). It is an important question that which of them (or both of them) are the real channels of these kind of explosions.
The members of the other main class are called core-collapse (CC) SNe, that are the consequences of the gravitational collapse of iron cores of massive stars. The type and properties of a CC SN depend mainly on the degree of preservation of the outer layers during the intense mass-loss processes in the late stages of stellar evolution (which is directly connected to the initial mass of the star). However, it is still not clear how exactly these processes depend on the interactions with the circumstellar environment or on the possible presence of a companion.
Based on the extending monitoring of SNe, the diversity of the stellar explosions seems to grow continuously. In the last years, more and more peculiar objects have been found, which belong to
one of the normal classes of SNe, but have some special spectral and/or photometric properties. Also, unusual cataclysmic events that are significantly different from 'normal' SNe (e.g. superluminous SNe, or SN-impostors), were discovered almost each year.
As a summary, there are a lot of open questions about the origin and properties of SNe, especially about the true nature of progenitor stars.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The proposed aim of my studies is to make a contribution to the collective effort in solving some of the key problems in SN researches. Type Ia SNe, thought to be previously a quite homogeneous class, have been showing a growing diversity in the last years. Both the detailed studies of single events and the statistical studies expected from HETDEX discoveries can help to reveal the background of the observed differences and the physical processes lead to different kinds of thermonuclear explosions ('normal' SNe Ia, super-Chandrasekhar explosions, subluminous SNe Ia, ...). Nearby, bright SNe Ia give also a chance to test cosmological distance measurements methods in the local Universe. These studies are very important, because SNe Ia, based on their homogeneity, have been using as primary distance indicators at large cosmic scales (lead scientists of the
latter research topic received the Physics Nobel Prize in 2011).
In the cases of nearby CCSNe, the proposed researches will allow me to determine some important parameters of the progenitors of the studied explosions. The detailed analysis of objects discovered in a very early phase, based on well-sampled photometric and spectroscopic data, give the chance to give confident estimations to the radius (and, therefore, to the nature) of the progenitor star. As an additional result, other interesting processes, e.g. the interactions between the SN ejecta an the circumstellar matter, can be studied in detail.
As a general aim, studying SNe is an important step to find the answers to the open questions both in stellar and cosmic evolution. These topics are also attractive for talented students to join in astrophysical researches.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Supernovae (SNe), the final explosions of massive stars and also of white dwarf stars orbiting in binary systems, belong to the most powerful events in the Universe. Studying these objects is one of the hottest topics of today's research in astrophysics. SNe play important role in the cosmic nucleosynthesis (especially in the formation of elements heavier than iron) and in the various cycles of interstellar matter (ISM), thus, indirectly, in the formation processes of stars and galaxies.
Owing to their high luminosities, SNe can be used to precisely measure the distances of nearby galaxies, while the ones belong to the Type Ia are important distance indicators also at larger cosmic scales (this method was honored with the Physics Nobel Prize in 2011). Moreover, there are extreme physical conditions (e.g. high temperature, strong magnetic field) in the environment of SNe, which allow to study exotic physical processes (particle acceleration, shock waves, etc.).
Because of all these circumstances, it is very important to observe these objects in all available wavelengths to get relevant information about them. To my work I can use the data of the largest telescopes in Hungary and also of two of the world largest telescopes (the 9m-class Hobby-Eberly Telecope in Texas and the South African Large Telescope), as well as data of space telescopes (Swift, Hubble, Spitzer).
Combining the observational results with a strong theoretical background (including the application of various modeling codes), I expect to make a contribution to deepen the understanding of the physical behavior and origin of these mysterious stellar explosions.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Silverman Jeffrey M, Vinkó József, Marion G H, Wheeler J Craig, Barna Barnabás, Szalai Tamás, Mulligan Brian W, Filippenko Alexei V: High-velocity features of calcium and silicon in the spectra of Type Ia supernovae, MON NOT R ASTRON SOC 451: 1973-2014, 2015 | | Szalai T, Vinkó J, Sárneczky K, Takáts K, Benkő JM, Kelemen J, Kuli Z, Silverman JM, Marion GH, Wheeler JC: The early phases of the type Iax supernova SN 2011ay, MON NOT R ASTRON SOC 453: (2) 2103-2114, 2015 | | Barna Barnabás, Szalai Tamás, Kromer Markus, Kerzendorf Wolfgang E, Vinkó József, Silverman Jeffrey M, Marion G H, Wheeler J Craig: Abundance tomography of Type Iax SN 2011ay with tardis, MON NOT R ASTRON SOC 471: 4865-4877, 2017 | | Sarneczky K, Vida K, Vinko J, Szalai T: Precise astrometric position of SN 2017eaw, ASTRONOMERS TELEGRAM : , 2017 | | Szalai T: A rummage in the Spitzer Heritage Archive: searching for signs of circumstellar interaction in upernovae, MEMOR SOC ASTRONOM ITAL 88: 459, 2017 | | Vinko J, Pooley D, Silverman J M, Wheeler J C, Szalai T, Kelly P, MacQueen P, Marion G H, Sárneczky K: Searching for the Expelled Hydrogen Envelope in Type I Supernovae via Late-Time Hα Emission, ASTROPHYS J 837: 62, 2017 | | Vinko J, Wheeler J C, Sarneczky K, Szakats R, Szalai T, Szekely P, HETDEX Collaboration: Spectroscopic classification of AT 2017byx as a Type Ia Supernova, ASTRONOMERS TELEGRAM : , 2017 | | Vinko J, Ordasi A, Szalai T, Sarneczky K, Banyai E, Biro IB, Borkovits T, Hegedus T, Hodosan G, Kelemen J, Klagyivik P, Kriskovics L, Kun E, Marion GH, Marschalko G, Molnar L, Nagy AP, Pal A, Silverman JM, Szakats R, Szegedi-Elek E, Szekely P, Szing A, Vida K, Wheeler JC: Absolute Distances to Nearby Type Ia Supernovae via Light Curve Fitting Methods, PUBL ASTRON SOC PAC 130: (988) Paper 064101. 23 p. , 2018 | | Kangas T, Mattila S, Kankare E, Lundqvist P, Väisänen P, Childress M, Pignata G, McCully C, Valenti S, Vinkó J, Pastorello A, Elias-Rosa N, Fraser M, Gal-Yam A, Kotak R, Kotilainen J K, Smartt S J, Galbany L, Harmanen J, Howell D A, Inserra C, Marion G H, Quimby R M, Silverman J M, Szalai T, Wheeler J C, Ashall C, Benetti S, Romero-Cañizales C, Smith K W, Sullivan M, Takáts K, Young D R: Supernova 2013fc in a circumnuclear ring of a luminous infrared galaxy: the big brother of SN 1998S, MON NOT R ASTRON SOC 456: 323-346, 2016 | | Silverman Jeffrey M, Vinkó József, Marion G H, Wheeler J Craig, Barna Barnabás, Szalai Tamás, Mulligan Brian W, Filippenko Alexei V: High-velocity features of calcium and silicon in the spectra of Type Ia supernovae, MON NOT R ASTRON SOC 451: 1973-2014, 2015 | | Szalai T, Vinkó J, Sárneczky K, Takáts K, Benkő JM, Kelemen J, Kuli Z, Silverman JM, Marion GH, Wheeler JC: The early phases of the type Iax supernova SN 2011ay, MON NOT R ASTRON SOC 453: (2) 2103-2114, 2015 | | Dhungana G, Kehoe R, Vinkó J, Silverman J M, Wheeler J C, Zheng W, Marion G H, Fox O D, Akerlof C, Biro B I, Borkovits T, Cenko S B, Clubb K I, Filippenko A V, Ferrante F V, Gibson C A, Graham M L, Hegedus T, Kelly P, Kelemen J, Lee W H, Marschalkó G, Molnár L, Nagy AP, Ordasi A, Pál A, Sárneczky K, Shivvers I, Szakáts R, Szalai T, Szegedi-Elek E, Székely P, Szing A, Takáts K, Vida K: Extensive Spectroscopy and Photometry of the Type IIP Supernova 2013ej, ASTROPHYS J 822: (1) , 2016 | | Szalai T, Vinko J, Sarneczky K: Optical and mid-infrared photometry of the luminous red nova 2015 in M101, The Astronomers Telegram #8891 2016/04 , 2016 | | Szalai Tamás, Vinkó József, Nagy Andrea P, Silverman Jeffrey M, Wheeler J Craig, Dhungana Govinda, Marion G Howie, Kehoe Robert, Fox Ori D, Sárneczky Krisztián, Marschalkó Gábor, Bíró Barna I, Borkovits Tamás, Hegedüs Tibor, Szakáts Róbert, Ferrante Farley V, Bányai Evelin, Hodosán Gabriella, Kelemen János, Pál András: The Continuing Story of SN IIb 2013df: New Optical and IR Observations and Analysis, MON NOT R ASTRON SOC 460: (2) 1500-1518, 2016 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
