Astronomer finder det første stærke bevis på en neutronstjernerest fra en eksploderende stjerne

Et internationalt hold af astronomer inklusive UCL's (University College Londons) professor Mike Barlow har opdaget det første afgørende bevis på, at der eksisterer en neutronstjerne i centrum af Supernova 1987A, en stjerneeksplosion observeret for 37 år siden.

Supernovaer er det spektakulære slutresultat af sammenbrud af stjerner, der er mere massive end 8-10 gange solens masse. De er hovedkilderne til kemiske grundstoffer (såsom kulstof, ilt, silicium og jern), der gør livet muligt. Den kollapsede kerne af disse eksploderende stjerner kan resultere i meget mindre neutronstjerner, der består af det tætteste stof i det kendte univers, eller sorte huller.

Supernova 1987A, beliggende i den store magellanske sky, en nabodværggalakse, var den nærmeste, klareste supernova set på nattehimlen i 400 år.

Neutrinoer, ufatteligt små subatomære partikler, blev produceret i supernovaen og opdaget på Jorden (23. februar 1987) dagen før supernovaen blev set, hvilket indikerer, at en neutronstjerne må være dannet. Det har dog ikke været kendt, om neutronstjernen blev ved eller kollapsede i et sort hul, da stjernen er blevet tilsløret af støv, der er dannet efter eksplosionen.

I den nye undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Science , brugte forskere to instrumenter på James Webb Space Telescope (JWST), MIRI og NIRSpec, til at observere supernovaen ved infrarøde bølgelængder og fandt tegn på tunge argon- og svovlatomer, hvis ydre elektroner var blevet strippet af (dvs. atomerne var blevet ioniseret) tæt på hvor stjerneeksplosionen fandt sted.

Holdet modellerede forskellige scenarier og fandt ud af, at disse atomer kun kunne være blevet ioniseret af ultraviolet og røntgenstråling fra en varm kølende neutronstjerne eller alternativt fra vindene af relativistiske partikler accelereret af en hurtigt roterende neutronstjerne og interagerer med omgivende supernovamateriale (pulsarvindtåge).

Hvis det førstnævnte scenarie er sandt, ville neutronstjernens overflade være omkring en million grader, efter at have kølet ned fra 100 milliarder grader eller deromkring i dannelsesøjeblikket i kernen af ​​kollapset mere end 30 år tidligere.

Medforfatter professor Mike Barlow (UCL Physics &Astronomy) sagde:"Vores påvisning med James Webbs MIRI- og NIRSpec-spektrometre af stærke ioniserede argon- og svovlemissionslinjer fra selve midten af ​​tågen, der omgiver Supernova 1987A, er et direkte bevis på tilstedeværelsen af en central kilde til ioniserende stråling. Vores data kan kun udstyres med en neutronstjerne som strømkilde til den ioniserende stråling.

"Denne stråling kan udsendes fra millioner graders overflade af den varme neutronstjerne, såvel som af en pulsarvindtåge, der kunne være blevet skabt, hvis neutronstjernen hurtigt snurrer og trækker ladede partikler rundt om sig.

"Mysteriet om, hvorvidt en neutronstjerne gemmer sig i støvet, har varet i mere end 30 år, og det er spændende, at vi har løst det.

"Supernovaer er hovedkilderne til kemiske grundstoffer, der gør livet muligt - så vi ønsker at få vores modeller af dem rigtigt. Der er intet andet objekt som neutronstjernen i Supernova 1987A, så tæt på os og er blevet dannet så for nylig. Fordi materiale omkring det udvider sig, vi vil se mere af det, som tiden går."

Professor Claes Fransson (Stockholms Universitet, Sverige), hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, sagde:"Takket være den fremragende rumlige opløsning og fremragende instrumenter på JWST har vi for første gang været i stand til at undersøge supernovaens centrum og hvad blev oprettet der.

"Vi ved nu, at der er en kompakt kilde til ioniserende stråling, højst sandsynligt fra en neutronstjerne. Vi har ledt efter dette fra tidspunktet for eksplosionen, men måtte vente på, at JWST kunne verificere forudsigelserne."

Dr. Patrick Kavanagh (Maynooth University, Irland), en anden forfatter til undersøgelsen, sagde:"Det var så spændende at se på JWST-observationerne af SN 1987A for første gang. Da vi tjekkede MIRI- og NIRSpec-dataene, var den meget lyse emission fra argon i centrum af SN 1987A sprang ud Vi vidste med det samme, at dette var noget særligt, der endelig kunne besvare spørgsmålet om den kompakte genstands natur."

Professor Josefin Larsson (Royal Institute of Technology (KTH), Sverige), en medforfatter af undersøgelsen, sagde:"Denne supernova bliver ved med at tilbyde os overraskelser. Ingen havde forudsagt, at det kompakte objekt ville blive opdaget gennem en superstærk emissionslinje fra argon, så det er lidt morsomt, at det var sådan, vi fandt det i JWST."

Modeller indikerer, at tunge argon- og svovlatomer produceres i stor overflod på grund af nukleosyntese inde i massive stjerner umiddelbart før de eksploderer.

Mens det meste af massen af ​​den eksploderende stjerne nu udvider sig med op til 10.000 km/sekund og er fordelt over et stort volumen, blev de ioniserede argon- og svovlatomer observeret tæt på midten, hvor eksplosionen fandt sted.

Den ultraviolette og røntgenstråling, som menes at have ioniseret atomerne, blev forudsagt i 1992 som en unik signatur af en nyskabt neutronstjerne.

Disse ioniserede atomer blev detekteret af James Webbs MIRI- og NIRSpec-instrumenter ved hjælp af en teknik kaldet spektroskopi, hvor lys spredes i et spektrum, hvilket gør det muligt for astronomer at måle lys ved forskellige bølgelængder for at bestemme et objekts fysiske egenskaber, herunder dets kemiske sammensætning.

Et UCL-hold ved Mullard Space Science Laboratory har designet og bygget NIRSpecs kalibreringskilde, som gør det muligt for instrumentet at foretage mere præcise målinger ved at give en jævn referencebelysning af dets detektorer.

Den nye undersøgelse involverede forskere fra Storbritannien, Irland, Sverige, Frankrig, Tyskland, USA, Holland, Belgien, Schweiz, Østrig, Spanien og Danmark.

Om Supernova (SN) 1987A

SN 1987A er den mest undersøgte og bedst observerede supernova af alle.

Den eksploderede den 23. februar 1987 i den store magellanske sky på den sydlige himmel i en afstand af 160.000 lysår og var den nærmeste supernova siden den sidste supernova med det blotte øje observeret af Johannes Kepler i 1604. I flere måneder før den falmede kunne SN 1987A være set med det blotte øje selv på denne afstand.

Endnu vigtigere er det den eneste supernova, der er blevet opdaget via dens neutrinoer. Dette er meget betydningsfuldt, eftersom 99,9 % af den enorme energi, der blev udsendt i denne begivenhed, blev forudsagt at gå tabt som disse ekstremt svagt interagerende partikler.

De resterende 0,1 % optræder i restens ekspansionsenergi og som lys. Af det enorme antal (ca. 10 i styrke 58) af udsendte neutrinoer blev omkring 20 detekteret af tre forskellige detektorer rundt om Jorden, fra kollapset i stjernens kerne den 23. februar kl. 7:35:35 UT.

SN 1987A var også den første supernova, hvor stjernen, der eksploderede, kunne identificeres ud fra billeder, der var taget før eksplosionen. Udover neutrinoerne er det mest interessante resultat af kollapset og eksplosionen forudsigelsen om, at et sort hul eller en neutronstjerne blev skabt. Dette udgør kun den centrale kerne af den kollapsede stjerne med en masse på 1,5 gange solens. Resten udstødes med en hastighed på op til 10 % af lysets hastighed, og danner den ekspanderende rest, vi observerer direkte i dag.

Den 'lange' 10 sekunders varighed af neutrino-udbruddet indikerede dannelsen af ​​en neutronstjerne, men på trods af adskillige interessante indikationer fra radio- og røntgenobservationer, var der indtil nu ikke fundet endegyldige beviser for en kompakt genstand, og var den vigtigste tilbageværende uløst problem for SN 1987A.

En vigtig årsag til dette kan være den store masse af støvpartikler, som vi ved blev dannet i årene efter eksplosionen. Dette støv kunne blokere det meste af det synlige lys fra midten og derfor skjule det kompakte objekt ved synlige bølgelængder.

To scenarier med neutronstjerne

I deres undersøgelse diskuterer forfatterne to hovedmuligheder:enten stråling fra den varme, millioner graders nyfødte neutronstjerne eller alternativt stråling fra energiske partikler accelereret i det stærke magnetfelt fra den hurtigt roterende neutronstjerne (pulsar). Dette er den samme mekanisme, som fungerer i den berømte Krabbetåge med sin pulsar i midten, som er resten af ​​supernovaen observeret af kinesiske astronomer i 1054.

Modeller af disse to scenarier resulterer i lignende forudsigelser for spektret, som stemmer godt overens med observationerne, men er svære at skelne. Yderligere observationer med JWST og jordbaserede teleskoper i synligt lys, samt Hubble Space Telescope, kan muligvis skelne mellem disse modeller.

I begge tilfælde giver disse nye observationer med JWST overbevisende beviser for et kompakt objekt, højst sandsynligt en neutronstjerne, i centrum af SN 1987A.

Sammenfattende giver disse nye observationer fra JWST sammen med de tidligere observationer af stamfader og neutrinoer et komplet billede af dette unikke objekt.

Flere oplysninger: C. Fransson, Emissionslinjer på grund af ioniserende stråling fra et kompakt objekt i resterne af Supernova 1987A, Science (2024). DOI:10.1126/science.adj5796. www.science.org/doi/10.1126/science.adj5796

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af University College London