Hvordan astronomer samler den mystiske oprindelse af superluminous supernovaer

Når en massiv stjerne når slutningen af ​​sit liv, den kan eksplodere som en supernova. Men der er en unik type supernova, der er meget lysere, end vi lige er begyndt at forstå - og som kan vise sig nyttig til at måle universet.

Kendt som superluminous supernovaer, disse begivenheder er typisk 10 til 100 gange lysere end en almindelig supernova, men meget mere sjældne. Vi har set omkring 100 indtil videre, men mange aspekter af disse begivenheder forbliver uhåndgribelige.

Hvorfor er de så meget lysere end almindelige supernovaer, for eksempel, og hvad forårsager stjernerne dem? Astronomer håber at besvare disse og flere spørgsmål i de kommende år, med forskellige undersøgelser i gang for at forstå disse begivenheder som aldrig før.

Dannelse

Dr. Ragnhild Lunnan fra Stockholm Universitet, Sverige, er en af ​​medforskerne på SUPERS-projektet, som forsøger at finde ud af, hvilke stjerner der fører til dannelsen af ​​superluminous supernovaer. Med dusinvis fundet allerede, holdet bygger den største samling af disse begivenheder i et forsøg på at lære mere om dem.

"Ved at følge udviklingen af ​​disse supernovaer ind i en meget sen fase, du kan afkode deres (struktur), " sagde hun. "Dette fortæller dig ting om stjernen, der eksploderede, og muligvis hvordan det eksploderede."

For at finde disse eksplosioner, Dr. Lunnan og hendes team gør brug af et kamera kaldet Zwicky Transient Facility (ZTF), del af Palomar Observatory i Californien, OS, at undersøge himlen. Der forventes kun én supernova pr. galakse pr. århundrede, med kun én ud af 1, 000 eller endda én ud af 10, 000 af dem er superluminous. Men ved at se på mange galakser samtidigt med ZTF, det er muligt at få øje på disse begivenheder.

Superluminous supernovaer findes oftere i stjernedannende galakser end ældre galakser, hvilket betyder, at de sandsynligvis er eksplosioner af unge stjerner, bemærker Dr. Lunnan.

"Desuden du finder dem meget ofte i galakser, der er lidt kemisk primitive, kaldet lavmetallicitet, og vi tror, ​​at dette også er et fingerpeg, " sagde hun. "Vi tror, ​​de er forbundet med meget massive og metalfattige stjerner. Men derudover, vi ved det virkelig ikke."

I 2018, Dr. Lunnan og hendes team opdagede en superluminous supernova med en gigantisk skal af materiale omkring sig, som den må have smidt ud i de sidste år af sit korte liv. "Denne opdagelse (af skallen) er endnu et fingerpeg om, at stjernerne må være meget massive, " sagde Dr. Lunnan.

Supernova på vej

Den nøjagtige proces, der forårsager en superluminous supernova, er et andet spørgsmål. Typisk, stjerner kan gå til supernova enten ved uafhængigt at kollapse, eller dele materiale med en lille tæt stjerne kendt som en hvid dværg, før en eksplosion finder sted, kendt som en Type 1a supernova. Men hvad sker der i en superlysende begivenhed?

Dr. Avishay Gal-Yam fra Weizmann Institute of Science i Israel, projektkoordinator på fyrværkeriprojektet, har forsøgt at besvare dette spørgsmål. Projektet har brugt observationer af nattehimlen fra kameraer som ZTF, der har en hurtig kadence, hvilket betyder, at de viser en begivenhed kort efter, at den fandt sted, at studere kosmiske eksplosioner.

Tidligere så vi kun supernovaer omkring to uger efter de skete, men ZTFs konstante observationer af himlen giver os mulighed for at se dem inden for omkring en eller to dage. Og det er især nyttigt for superluminous supernovaer. En almindelig supernova kan lysne og falme over en periode på uger, men en superluminous supernova kan holde flere gange længere, mens den også når sin maksimale lysstyrke langsommere.

"De udvikler sig relativt langsomt, " sagde han. "Tidspunktet for eksplosionen at nå sit højdepunkt kan være et par måneder, nogle gange endda længere. Så undersøgelser af disse objekter er ikke fokuseret på hurtige observationer, men snarere en kontinuerlig opfølgningskampagne, som tager måneder og nogle gange år."

Indtil videre har Dr. Gal-Yam og hans team offentliggjort adskillige undersøgelser, undersøge nogle af teorierne for, hvordan disse begivenheder sker. En idé er, at en almindelig supernova efterlader en hurtigt roterende og stærkt magnetiseret neutronstjerne, kaldet en magnetar, der fungerer som en kæmpemagnet og pumper energi ind i supernovaeksplosionen.

Men Dr. Gal-Yams mere foretrukne teori er den samme, som Dr. Lunnan fortaler – at kollapsende massive stjerner er årsagen. "Hvad kan generere så meget energi, der kan drive sådan en lysende emission, både med hensyn til mængden af ​​energi og den meget lange tid, emissionen fortsætter med at ske?" sagde han. "Den mest spændende (teori) er en eksplosion fra en meget massiv stjerne, der er 100 gange mere massiv end solen."

Afstand

Mens mange spørgsmål om superluminous supernovaer forbliver ubesvarede, de har allerede vist sig nyttige som afstandsmarkører i universet. Kaldet 'standard stearinlys, "lyse begivenheder som supernovaer kan fortælle os, hvor langt væk en bestemt galakse er, da vi ved, hvor lyse de burde være.

"Idéen her er et standard stearinlys, et objekt med kendt lysstyrke, " sagde Dr. Mark Sullivan, projektkoordinator på SPCND-projektet, der så på, hvordan eksplosive begivenheder som denne kunne være nyttige til kosmologiske undersøgelser. "Hvis du kan finde det på himlen og måle, hvor lyst det ser ud til at være for os på Jorden, du kan se, hvor langt væk det er."

Lysstyrken af ​​superluminous supernovaer gør dem særligt nyttige. Ved at bruge Dark Energy Survey (DES), en undersøgelse af nattehimlen ved hjælp af Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile, Dr. Sullivan og hans team fandt mere end 20 superluminous supernovaer i galakser op til otte milliarder lysår fra Jorden, giver os en ny kosmisk afstandsstige. "Vi har fået et nyt datasæt af disse objekter i det fjerne univers, " sagde Sullivan.

Med en voksende stikprøvestørrelse af disse begivenheder, astronomer vil nu håbe på at svare én gang for alle, hvad der forårsager dem. Kommende teleskoper som Vera C. Rubin-observatoriet i Chile kan vise sig at være vitale, udfører nye gennemgribende undersøgelser af nattehimlen, og finde flere af disse objekter end nogensinde før.

"Vi er virkelig i denne æra, hvor vi finder så mange genstande - selv ting, der er sjældne, " sagde Dr. Lunnan. "Det er meget sjovt."