Højhastighedssupernova afslører de tidligste øjeblikke af en døende stjerne

Et internationalt hold af forskere, inklusive astronomer fra universiteterne i Leicester, Bath og Warwick, har fundet beviser for eksistensen af ​​en 'varm kokon' af materiale, der omslutter et relativistisk jetfly, der undslipper en døende stjerne. Denne forskning er offentliggjort online i dag og på tryk i Natur i morgen.

En relativistisk jetstråle er et meget kraftigt fænomen, som involverer plasmastråler, der skyder ud af sorte huller tæt på lysets hastighed, og kan strække sig over millioner af lysår.

Observationer af supernova SN2017iuk taget kort efter dens begyndelse viste, at den udvidede sig hurtigt, med en tredjedel af lysets hastighed. Dette er den hurtigste supernovaudvidelse, der er målt til dato. Overvågning af udstrømningen over mange uger afslørede en klar forskel mellem den oprindelige kemiske sammensætning og den på senere tidspunkter.

Taget sammen, disse er indikatorer for tilstedeværelsen af ​​den meget teoretiserede varme kokon, udfylde et hul i vores viden om, hvordan en stråle af materiale, der undslipper en stjerne, interagerer med stjernehylsteret omkring den og giver en potentiel forbindelse mellem to tidligere adskilte klasser af supernovaer.

Supernovaen signalerer den endelige død af en massiv stjerne, hvor stjernekernen kollapser og de yderste lag blæses voldsomt af. SN2017iuk tilhører en klasse af ekstreme supernovaer, nogle gange kaldet hypernovaer eller GRB-SNe, der ledsager en endnu mere dramatisk begivenhed kendt som et gamma-ray burst (GRB).

Ved stjernedød, en meget relativistisk, en smal stråle af materiale kan udstødes fra stjernens poler, som lyser klart først i gammastråling og derefter over hele det elektromagnetiske spektrum og er kendt som en GRB.

Indtil nu, astronomer har ikke været i stand til at studere de tidligste øjeblikke i udviklingen af ​​en supernova af denne art (en GRB-SN), men SN2017iuk var tilfældigt tæt på – omkring 500 millioner lysår fra Jorden – og GRB-lyset var underlysende, gør det muligt for selve SN at være sporbar på tidlige tidspunkter.

Dr. Rhaana Starling, Lektor ved University of Leicesters afdeling for fysik og astronomi sagde:"Dette lignede umiddelbart en begivenhed, der var værd at jagte, som det skete i en storslået spiralgalakse meget tæt på, kosmologisk set.

"Da de første sæt data kom ind, var der en usædvanlig komponent i lyset, der så meget blå ud, foranledigede en overvågningskampagne for at se, om vi kunne bestemme dens oprindelse ved at følge udviklingen og tage detaljerede spektre.

"Gammastråleudbruddet så ret svagt ud, så vi kunne se andre processer, der foregik omkring det nydannede jetfly, som normalt overdøves. Ideen om en kokon af termiseret gas skabt af den relativistiske jet, mens den borer ud af stjernen, var blevet foreslået og underforstået i andre tilfælde, men her var beviset for, at vi havde brug for at fastslå eksistensen af ​​en sådan struktur."

En koordineret tilgang ved hjælp af en række rum- og jordbaserede observatorier var påkrævet for at overvåge supernovaen over 30 dage og ved mange bølgelængder. Hændelsen blev først opdaget ved hjælp af Neil Gehrels Swift Observatory. Swift er en NASA-rummission, hvor University of Leicester er en af ​​tre partnere, og er vært for sit britiske datacenter.

Data opnået med Gravitational-wave Optical Transient Observatory (GOTO) hjalp med at spore supernovalyset, mens spektroskopi blev opnået gennem dedikerede observationsprogrammer, herunder initiativer fra STARGATE Collaboration ledet af professor Nial Tanvir ved University of Leicester, som bruger 8-m teleskoper ved European Southern Observatory.

Professor Tanvir, Underviser i fysik og astronomi ved University of Leicester sagde:"Det relativistiske jetfly slår ud gennem stjernen, som om det var en kugle, der blev skudt ud fra indersiden af ​​et æble. Det, vi har set for første gang, er alt, hvad der gælder affald, der eksploderer ud efter kuglen."

hastigheder på op til 115, 000 kilometer i sekundet blev målt for den ekspanderende supernova i cirka en time efter dens begyndelse. En anden kemisk sammensætning blev fundet for den tidligt ekspanderende supernova sammenlignet med den mere jernrige senere udstødning. Holdet konkluderede, at kun få timer efter starten kommer udkastet fra det indre, fra en varm kokon skabt af jetflyet.

Eksisterende supernovaproduktionsmodeller viste sig utilstrækkelige til at tage højde for den store mængde højhastighedsmateriale, der blev målt. Holdet udviklede nye modeller, som inkorporerede kokonkomponenten og fandt, at disse var et fremragende match.

SN2017iuk giver også en længe søgt forbindelse mellem supernovaen, der ledsager GRB'er, og dem der ikke gør det:i enlige supernovaer, højhastighedsudstrømninger er også set, med hastigheder på op til 50, 000 kilometer i sekundet, som kan stamme fra det samme kokon-scenarie, men flugten fra den relativistiske GRB-jet er på en eller anden måde forpurret.

Core-kollaps supernovaer uden GRB'er findes normalt meget senere efter deres opståen, giver videnskabsmænd meget ringe chance for at opdage nogen signaturer af en varm kokon, mens kokontræk i GRB-associerede supernovaer normalt er skjult af de lyse, relativistisk jetfly.

Det sjældne tilfælde af SN2017iuk har åbnet et vindue til de tidligste stadier af denne type supernova-fænomen, gør det muligt at observere den undvigende kokonstruktur.