Opdagelsen af ​​en ny type supernova belyser et middelalderligt mysterium

Et verdensomspændende hold ledet af UC Santa Barbara-forskere ved Las Cumbres-observatoriet har opdaget det første overbevisende bevis for en ny type stjerneeksplosion - en elektronindfangende supernova. Mens de har været teoretiseret i 40 år, eksempler fra den virkelige verden har været uhåndgribelige. De menes at opstå fra eksplosioner af massive superasymptotiske gigantiske gren (SAGB) stjerner, hvilket der også har været ringe bevis for. Opdagelsen, udgivet i Natur astronomi , kaster også nyt lys over det tusindårige mysterium om supernovaen fra 1054 e.Kr., der var synlig over hele verden i dagtimerne, før den til sidst blev til Krabbetågen.

Historisk set, supernovaer er faldet i to hovedtyper:termonuklear og jernkernekollaps. En termonuklear supernova er eksplosionen af ​​en hvid dværgstjerne, efter at den har fået stof i et dobbeltstjernesystem. Disse hvide dværge er de tætte askekerner, der er tilbage, efter at en stjerne med lav masse (en op til omkring 8 gange solens masse) når slutningen af ​​sin levetid. En jernkerne-kollaps-supernova opstår, når en massiv stjerne - en mere end omkring 10 gange solens masse - løber tør for nukleart brændsel, og dens jernkerne kollapser, skabe et sort hul eller neutronstjerne. Mellem disse to hovedtyper af supernovaer er elektronfangende supernovaer. Disse stjerner stopper fusionen, når deres kerne er lavet af ilt, neon og magnesium; de er ikke massive nok til at skabe jern.

Mens tyngdekraften altid forsøger at knuse en stjerne, det, der forhindrer de fleste stjerner i at kollapse, er enten igangværende fusion eller, i kerner, hvor fusion er stoppet, det faktum, at man ikke kan pakke atomerne tættere. I en elektronindfangningssupernova, nogle af elektronerne i oxygen-neon-magnesium-kernen bliver smadret ind i deres atomkerner i en proces, der kaldes elektronfangst. Denne fjernelse af elektroner får stjernens kerne til at bøje sig under sin egen vægt og kollapse, resulterer i en elektronindfangningssupernova.

Hvis stjernen havde været lidt tungere, kerneelementerne kunne have smeltet sammen for at skabe tungere elementer, forlænger dens levetid. Så det er en slags omvendt Goldilocks-situation:Stjernen er ikke lys nok til at undslippe sin kerne ved at kollapse, den er heller ikke tung nok til at forlænge dens levetid og dø senere på andre måder.

Det er teorien, der blev formuleret i begyndelsen af ​​1980 af Ken'ichi Nomoto fra University of Tokyo og andre. Gennem årtierne, teoretikere har formuleret forudsigelser om, hvad de skal kigge efter i en elektronindfanget supernova og deres SAGB-stjerneforfædre. Stjernerne skal have en masse masse, miste meget af det, før det eksploderer, og denne masse nær den døende stjerne burde være af en usædvanlig kemisk sammensætning. Så burde elektronindfangningssupernovaen være svag, har lidt radioaktivt nedfald, og har neutronrige grundstoffer i kernen.

Den nye undersøgelse ledes af Daichi Hiramatsu, en kandidatstuderende ved UC Santa Barbara og Las Cumbres Observatory (LCO). Hiramatsu er et kernemedlem af Global Supernova Project, et verdensomspændende hold af videnskabsmænd, der bruger snesevis af teleskoper rundt om og over kloden. Holdet fandt ud af, at supernovaen SN 2018zd havde mange usædvanlige egenskaber, hvoraf nogle blev set for første gang i en supernova.

Det hjalp, at supernovaen var relativt nærliggende - kun 31 millioner lysår væk - i galaksen NGC 2146. Dette gjorde det muligt for holdet at undersøge arkivbilleder taget af Hubble-rumteleskopet før eksplosionen og at opdage den sandsynlige stamstjerne før den. eksploderede. Observationerne var i overensstemmelse med en anden nyligt identificeret SAGB-stjerne i Mælkevejen, men ikke i overensstemmelse med modeller af røde supergiganter, stamfædre til normale jernkerne-kollaps supernovaer.

Forfatterne gennemgik alle offentliggjorte data om supernovaer, og fandt ud af, at mens nogle havde et par af de forudsagte indikatorer for elektronindfangningssupernovaer, kun SN 2018zd havde alle seks:en tilsyneladende SAGB stamfader, stærkt præ-supernova-massetab, en usædvanlig stjernekemisk sammensætning, en svag eksplosion, lidt radioaktivitet og en neutronrig kerne.

"Vi startede med at spørge 'hvad er denne mærkelige'?" sagde Hiramatsu. "Derefter undersøgte vi alle aspekter af SN 2018zd og indså, at alle af dem kan forklares i elektronindfangningsscenariet."

De nye opdagelser belyser også nogle mysterier om fortidens mest berømte supernova. I 1054 e.Kr. skete der en supernova i Mælkevejsgalaksen, der, ifølge kinesiske og japanske optegnelser, var så lyst, at det kunne ses om dagen i 23 dage, og om natten i næsten to år. Den resulterende rest, Krabbetågen, er blevet undersøgt meget detaljeret.

Krabbetågen var tidligere den bedste kandidat til en elektronindfangningssupernova, men dens status var usikker, dels fordi eksplosionen skete for næsten tusind år siden. Det nye resultat øger tilliden til, at den historiske SN 1054 var en elektronindfangende supernova. Det forklarer også, hvorfor denne supernova var relativt lysstærk sammenlignet med modellerne:Dens lysstyrke blev sandsynligvis kunstigt forbedret af supernova-udstødningen, der kolliderede med materiale, der blev kastet ud af stamstjernen, som det blev set i SN 2018zd.

Ken Nomoto ved Kavli IPMU ved University of Tokyo udtrykte begejstring over, at hans teori var blevet bekræftet. "Jeg er meget glad for, at elektronindfangningssupernovaen endelig blev opdaget, som mine kolleger og jeg forudsagde eksisterede og havde en forbindelse til Krabbetågen for 40 år siden, " sagde han. "Jeg sætter stor pris på den store indsats, der er involveret i at opnå disse observationer. Dette er et vidunderligt tilfælde af kombinationen af ​​observationer og teori."

Hiramatsu tilføjede, "Det var sådan et 'Eureka-øjeblik' for os alle, at vi kan bidrage til at lukke det 40 år gamle teoretiske loop, og for mig personligt, fordi min karriere inden for astronomi startede, da jeg så på de fantastiske billeder af universet på gymnasiets bibliotek, en af ​​dem var den ikoniske Krabbetåge taget af Hubble-rumteleskopet."

"Begrebet Rosetta Stone bruges for ofte som en analogi, når vi finder et nyt astrofysisk objekt, " sagde Andrew Howell, en stabsforsker ved Las Cumbres Observatory og adjungeret fakultet ved UCSB, "men i dette tilfælde synes jeg, det er passende. Denne supernova hjælper os bogstaveligt talt med at afkode tusind år gamle optegnelser fra kulturer over hele verden. Og den hjælper os med at forbinde en ting, vi ikke helt forstår, Krabbetågen, med en anden ting, vi har utrolige moderne optegnelser om, denne supernova. I processen lærer den os om grundlæggende fysik:hvordan nogle neutronstjerner bliver til, hvordan ekstreme stjerner lever og dør, og om, hvordan de elementer, vi er lavet af, bliver skabt og spredt rundt i universet." Howell er også leder af Global Supernova Project, og hovedforfatter Hiramatsus Ph.D. rådgiver.