Calciumrig supernova undersøgt med røntgenstråler for første gang

Halvdelen af ​​al calcium i universet – inklusive selve kalken i vores tænder og knogler – blev skabt i den sidste gisp af døende stjerner.

Kaldes "calciumrige supernovaer, "Disse stjerneeksplosioner er så sjældne, at astrofysikere har kæmpet for at finde og efterfølgende studere dem. Arten af ​​disse supernovaer og deres mekanisme til at skabe calcium, derfor, er forblevet undvigende.

Nu har et Northwestern University-ledet team potentielt afsløret den sande natur af disse sjældne, mystiske begivenheder. For første gang nogensinde, forskerne undersøgte en calciumrig supernova med røntgenbilleder, som gav et hidtil uset indblik i stjernen i den sidste måned af dens liv og ultimative eksplosion.

De nye resultater afslørede, at en calciumrig supernova er en kompakt stjerne, der afgiver et ydre lag af gas i de sidste stadier af sit liv. Når stjernen eksploderer, dens stof kolliderer med det løse materiale i den ydre skal, udsender lyse røntgenstråler. Den samlede eksplosion forårsager intenst varme temperaturer og højt tryk, driver en kemisk reaktion, der producerer calcium.

"Disse begivenheder er så få i antal, at vi aldrig har vidst, hvad der producerede calciumrig supernova, " sagde Wynn Jacobson-Galan, en førsteårs Northwestern kandidatstuderende, der ledede undersøgelsen. "Ved at observere, hvad denne stjerne gjorde i sin sidste måned, før den nåede sit kritiske, tumultarisk afslutning, vi kiggede ind på et sted, vi tidligere ikke havde udforsket, åbning af nye studieveje inden for forbigående videnskab."

"Før denne begivenhed, vi havde indirekte information om, hvad calciumrige supernovaer måske eller måske ikke er, " sagde Northwesterns Raffaella Margutti, en seniorforfatter af undersøgelsen. "Nu, vi kan trygt udelukke flere muligheder."

Forskningen vil blive offentliggjort den 5. august i The Astrophysical Journal . Næsten 70 medforfattere fra mere end 15 lande bidrog til avisen.

Margutti er assisterende professor i fysik og astronomi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences og medlem af CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics). Jacobson-Galan er en NSF Graduate Research Fellow i Marguttis forskergruppe for transienter.

'Et globalt samarbejde blev antændt'

Amatørastronomen Joel Shepherd opdagede først det lyse udbrud, døbt SN2019ehk, mens han stirrede i Seattle. Den 28. april, 2019, Shepherd brugte sit nye teleskop til at se Messier 100 (M100), en spiralgalakse beliggende 55 millioner lysår fra Jorden. Den næste dag, en lys orange prik dukkede op i rammen. Shepherd rapporterede anomalien til en samfundsastronomisk undersøgelse.

"Så snart verden vidste, at der var en potentiel supernova i M100, et globalt samarbejde blev antændt, " sagde Jacobson-Galan. "Hvert enkelt land med et fremtrædende teleskop vendte sig for at se på dette objekt."

Dette omfattede førende observatorier i USA såsom NASAs Swift Satellite, W.M. Keck Observatory på Hawaii og Lick Observatory i Californien. Det nordvestlige hold, som har fjernadgang til Keck, var et af de mange hold verden over, der udløste sine teleskoper for at undersøge SN2019ehk i optiske bølgelængder. University of California Santa Barbara kandidatstuderende Daichi Hiramatsu var den første til at udløse Swift til at studere SN2019ehk i røntgen og ultraviolet. Hiramatsu er også en stabsforsker ved Las Cumbres Observatory, som spillede en afgørende rolle i overvågningen af ​​den langsigtede udvikling af denne supernova med sit globale teleskopnetværk.

Den verdensomspændende opfølgningsoperation gik så hurtigt, at supernovaen blev observeret kun 10 timer efter eksplosionen. Røntgenstrålingen, der blev detekteret med Swift, varede kun i fem dage og forsvandt derefter fuldstændigt.

"I forbigåendes verden, vi skal opdage ting meget, meget hurtigt før de falmer, " sagde Margutti. "I første omgang, ingen ledte efter røntgenbilleder. Daichi bemærkede noget og gjorde os opmærksom på det mærkelige udseende af, hvad der lignede røntgenstråler. Vi kiggede på billederne og indså, at der var noget der. Det var meget mere lysende, end nogen nogensinde ville have troet. Der var ingen eksisterende teorier om, at forudsagte calciumrige transienter ville være så lysende i røntgenbølgelængder."

'Den rigeste af de rige'

Mens alt calcium kommer fra stjerner, calciumrige supernovaer giver det mest kraftfulde slag. Typiske stjerner skaber små mængder calcium langsomt gennem brændende helium gennem hele deres liv. Calciumrige supernovaer, på den anden side, producere enorme mængder calcium på få sekunder.

"Eksplosionen forsøger at køle af, Margutti forklarede. "Den vil gerne give sin energi væk, og calciumemission er en effektiv måde at gøre det på."

Ved hjælp af Keck, Northwestern-holdet opdagede, at SN 2019ehk udsendte det mest calcium, der nogensinde er observeret i en enestående astrofysisk begivenhed.

"Det var ikke kun calciumrigt, " sagde Margutti. "Det var den rigeste af de rige."

Afsløre nye spor

SN2019ehks korte lysstyrke fortalte en anden historie om dens natur. Northwestern-forskerne mener, at stjernen kastede et ydre lag af gas i sine sidste dage. Da stjernen eksploderede, dets materiale kolliderede med dette ydre lag for at producere en lys, energisk udbrud af røntgenstråler.

"Lysstyrken fortæller os, hvor meget materiale stjernen kastede, og hvor tæt dette materiale var på stjernen, " sagde Jacobson-Galan. "I dette tilfælde, stjernen mistede en meget lille mængde materiale lige før den eksploderede. Det materiale var stadig i nærheden."

Selvom Hubble-rumteleskopet havde observeret M100 i de sidste 25 år, den kraftfulde enhed registrerede aldrig stjernen - som oplevede sin endelige udvikling - ansvarlig for SN2019ehk. Forskerne brugte Hubble-billederne til at undersøge supernovastedet, før eksplosionen fandt sted, og siger, at dette er endnu et fingerpeg om stjernens sande natur.

"Det var sandsynligvis en hvid dværg eller meget lav masse massiv stjerne, " sagde Jacobson-Galan. "Begge af dem ville være meget svage."

"Uden denne eksplosion, du ville ikke vide, at der nogensinde var noget der, " tilføjede Margutti. "Ikke engang Hubble kunne se det."