Det mest komplette portræt af en supernova nogensinde

Beretninger om supernovaer – eksploderende stjerner – går tusinder af år tilbage, og selvom vi i dag ved, at disse begivenheder skaber selve livets byggesten, er der stadig ubesvarede spørgsmål om de forhold, der får en stjerne til at eksplodere.

Forskere fra Weizmann Institute of Science har nu gjort store fremskridt med at forstå disse fascinerende fænomener bedre. Ved hjælp af flere teleskoper, inklusive W. M. Keck Observatory på Maunakea, Hawaii Island, var de i stand til at indsamle data fra en engangs-i-livet supernova kaldet SN 2023ixf. Deres resultater er offentliggjort i dagens udgave af tidsskriftet Nature .

Indtil for nylig blev supernovaer betragtet som sjældne med kendte forekomster i Mælkevejen, der i bedste fald sker en gang om året, og lyser nattehimlen op med intensiteten af ​​100 millioner sole; den sidste observerbare eksplosion i vores galakse fandt sted for hundreder af år siden.

Fremskridt inden for teleskopteknologi har siden hjulpet med at identificere supernovaer i fjerne galakser og levere flere data, end det tidligere var muligt. Alligevel består det samme problem; da eksplosioner ikke kan forudsiges, er astrofysikere som rumarkæologer, der normalt ankommer til stedet efter begivenheden og forsøger at samle information fra resterne.

"Det er det, der gør denne særlige supernova anderledes," siger ph.d. studerende Erez Zimmerman fra Prof. Avishay Gal-Yams gruppe hos Weizmann. "Vi var i stand - for allerførste gang - at følge en supernova tæt, mens dens lys kom frem fra det cirkumstellare materiale, hvori den eksploderende stjerne var indlejret."

Opdagelsen svarede til at komme til gerningsstedet, mens forbrydelsen stadig fandt sted.

Forskerne indrømmer, at de var heldige. Gal-Yams team ansøgte om forskningstid på NASAs Hubble-rumteleskop i håb om at indsamle ultraviolette (UV) spektraldata om enhver supernova, der interagerer med dens miljø. I stedet fik de chancen for i realtid at være vidne til en af ​​de nærmeste supernovaer i årtier:en rød superkæmpe, der eksploderer i en nabogalakse kaldet Messier 101, også kendt som Pinwheel-galaksen.

Holdet opdagede SN 2023ixf på en fredag, begyndelsen af ​​weekenden i Israel og lige før weekenden i Baltimores Space Telescope Science Institute - operationscenteret for Hubble-teleskopet. For at komplicere tingene endnu mere, fandt det sted to dage før Zimmermans bryllup. Holdet holdt ud og kørte en hel nat i fredags og leverede de nødvendige målinger til NASA lige så hurtigt som muligt.

"Det er meget sjældent, som videnskabsmand, at du skal handle så hurtigt," siger Gal-Yam. "De fleste videnskabelige projekter sker ikke midt om natten, men muligheden opstod, og vi havde intet andet valg end at reagere i overensstemmelse hermed."

Ikke alene lykkedes det at få Hubble til at antage de rigtige koordinater og vinkel til at registrere de nødvendige data, men på grund af eksplosionens relative nærhed viste det sig, at Hubble allerede havde lavet optagelser i denne del af universet mange gange før. Ved at henvende sig til NASA-arkiverne var Gal-Yams team og mange andre grupper i stand til at erhverve data fra før stjernens endelige død – da den stadig kun var en rød superkæmpe i dens sidste livsfaser – og dermed skabe det mest komplette portræt af en supernova nogensinde:en sammensætning af dens sidste dage og død.

Observationer af SN 2023ixf bestod af UV- og røntgendata fra NASA's Hubble- og Swift-satellitter samt mange af de bedste teleskoper over hele kloden.

Dette inkluderede spektre optaget ved hjælp af tre af Keck Observatorys instrumenter - Keck Cosmic Web Imager (KCWI), Deep Imaging og Multi-Object Spectrograph (DEIMOS) og Low Resolution Imaging Spectrometer (LRIS) - hvor hvert instrument tilbyder en unik visning af supernovaen og hvordan det ændrede sig over tid.

Sammenstillingen af ​​rum- og jordbaserede data af høj kvalitet gjorde forskerne i stand til at kortlægge de to ydre lag af den eksploderende stjerne og komme med en ekstraordinær hypotese.

"Beregninger af det cirkumstellare materiale, der udsendes i eksplosionen, samt dette materiales tæthed og masse før og efter supernovaen, skaber en uoverensstemmelse, som gør det meget sandsynligt, at den manglende masse endte i et sort hul, der blev dannet i kølvandet på af eksplosionen - noget, der normalt er meget svært at bestemme,« siger ph.d. elev Ido Irani fra Gal-Yams hold.

"Stjerner opfører sig meget uberegnelig i deres seniorår," siger Gal-Yam. "De bliver ustabile, og vi kan normalt ikke være sikre på, hvilke komplekse processer der finder sted i dem, fordi vi altid starter den retsmedicinske proces bagefter, når meget af dataene allerede er gået tabt."

"Denne undersøgelse giver en unik mulighed for bedre at forstå de mekanismer, der fører til afslutningen på en stjernes liv og den endelige dannelse af noget helt nyt," sagde Zimmerman.

Forskere finder måske aldrig ud af, hvad der vil ske med den sag, der udgjorde Messier 101's tidligere røde supergigant. De senere stadier af supernovaen er dog i gang, og nye data kommer stadig ind, hvilket betyder, at denne undersøgelse sammen med opfølgende undersøgelser af SN 2023ixf kan give mere indsigt i disse eksplosive hændelser.

Flere oplysninger: Erez Zimmerman, Det komplekse circumstellar miljø af supernova 2023ixf, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07116-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07116-6

Journaloplysninger: Natur

Leveret af W. M. Keck Observatory