Gorąca „kropelka” wskazuje na gwiazdę neutronową czającą się w Supernowej 1987A

Astronomowie od dawna podejrzewali, że w pyłowej otoczce SN 1987A kryje się gwiazda neutronowa wielkości miasta. A teraz są bliżej niż kiedykolwiek udowodnienia swojej teorii.

24 lutego 1987 roku nieoczekiwana kosmiczna eksplozja wstrząsnęła społecznością astronomiczną. Supernową 1987A (SN 1987A), zjawisko — wywołane przez implozję masywnej gwiazdy — było najbliższą obserwowaną supernową na Ziemi od czasu wynalezienia teleskopu. NIe doszło do tego jednak w naszej galaktyce. SN 1987A wybuchła w Wielkim Obłoku Magellana, który jest galaktyką satelitarną Drogi Mlecznej, która znajduje się około 170 000 lat świetlnych od Ziemi. Niemniej jednak SN 1987A była wciąż tak jasna, że ​​obserwatorzy gołym okiem mogli ją widzieć przez kilka tygodni.

Ale niezwykły widok pobliskiej supernowej na nocnym niebie Ziemi nie jest jedyną rzeczą, jaką obdarzył nas SN 1987A. Dało to również astronomom bezprecedensową okazję do zbadania, co wyzwala supernowe, a także jak tak potężne wybuchy rozchodzą się po ich otoczeniu. W rzeczywistości możemy zobaczyć falę uderzeniową z SN 1987A wciąż pędzącą na zewnątrz, wchodząc w interakcje z chmurami pyłu, które otaczają pierwotne miejsce kosmicznej eksplozji.

Pozostaje jednak trwała tajemnica: co pozostawiła po sobie SN 1987A? Według nowych badań odpowiedzią jest prawdopodobnie gwiazda neutronowa.

Szczątki SN 1987A

Od dłuższego czasu astronomowie zakładali, że SN 1987A początkowo pozostawiła po sobie gwiazdę neutronową. Dzieje się tak, ponieważ kilka godzin przed dotarciem do nas światła supernowej wykryli napływ cząstek neutrin omywających Ziemię, jak można by się spodziewać, gdyby w pobliżu wybuchła supernowa. Te prawie niepowstrzymane cząsteczki przedzierają się prosto przez gęsty materiał obecny podczas pączkującej supernowej — w przeciwieństwie do światła, które przez chwilę zostaje zatrzymane. W rzeczywistości SN 1987A był pierwszym, kiedy naukowcy wykryli neutrina spoza naszego Układu Słonecznego. Ale chociaż te neutrina prawie na pewno pochodzą z narodzin gwiazdy neutronowej w SN 1987A, astronomowie nie są pewni, czy ta gwiazda neutronowa żyje dalej, czy raczej szybko zapadła się w czarną dziurę. I pomimo dziesięcioleci monitorowania miejsca, obserwatorzy nie znaleźli jeszcze przekonujących oznak zwartego obiektu czającego się w pobliżu centrum SN 1987A. Przynajmniej do tej pory.

W nowym artykule opublikowanym 30 lipca w The Astrophysical Journal astronomowie donoszą, że znaleźli przekonujące dowody na to, że SN 1987a wciąż kryje w sobie gwiazdę neutronową, co czyniłoby ją najmłodszym tak znanym ciałem gwiezdnym. (Poprzedni rekordzista, Cassiopeia A, szacowany jest na około 330 lat). Astronomowie przeprowadzili badania przy użyciu Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) — radioteleskopu w Chile, który jest w stanie zajrzeć przez przesłaniający pył . Te nowe obrazy o niezwykle wysokiej rozdzielczości ujawniły gorącą „kroplę” czającą się w jądrze SN 1987A.

Jednak sama plamka nie jest gwiazdą neutronową. Ponieważ gwiazdy neutronowe kompresują około 1,4 masy Słońca w sferę o szerokości około 25 kilometrów, nie można ich zobaczyć bezpośrednio. Zamiast tego, nowo odkryta plama wydaje się być gigantycznym obłokiem gazu, który dramatycznie przyćmiewa swoje otoczenie i znajduje się dokładnie tam, gdzie według astronomów powinna znajdować się gwiazda neutronowa SN 1987A.

Musi być w chmurze coś, co rozgrzało kurz i sprawi, że będzie świecić.wyjaśnił współautor Mikako Matsuura z Cardiff University w komunikacie prasowym.

W swojej najdłuższej postaci kropelka obejmuje około 4000 jednostek astronomicznych – gdzie jedna jednostka astronomiczna to średnia odległość Ziemia-Słońce – i szacuje się, że ma temperaturę około 9 milionów stopni Fahrenheita (5 milionów stopni Celsjusza).

Dlatego sugerujemy, że w obłoku pyłu kryje się gwiazda neutronowa.dodał Matsuura.

Ta plama nie znajduje się jednak dokładnie w centrum SN 1987A; jest lekko przesunięta. Ale to nie jest błąd w teorii, to funkcja. Astronomowie od dawna podejrzewali, że SN 1987A eksplodował asymetrycznie, wyrzucając więcej materii w jednym kierunku niż w drugim. Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona taki asymetryczny wybuch „odrzuciłby” gwiazdę neutronową w przeciwnym kierunku z prędkością setek kilometrów na sekundę. Tak więc, po prostu obliczając, jak daleko gwiazda neutronowa przebyła przestrzeń w ciągu ostatnich 30-stu lat, astronomowie mogą przewidzieć jej przesunięcie od środka SN 1987A. Jak się okazuje, właśnie tam znaleźli plamę na obrazach ALMA. Teraz, gdy astronomowie prawdopodobnie odkryli położenie gwiazdy neutronowej w SN 1987A – i nazwali ją „NS 1987A” – można rozpocząć prawdziwe poszukiwanie wyjaśnienia tego zjawiska.

Na początek naukowcy naprawdę chcą wiedzieć, czy NS 1987A jest pulsarem, czyli gwiazdą neutronową, która podczas rotacji emituje potężną wiązkę promieniowania radiowego. (Uwaga! wszystkie pulsary są gwiazdami neutronowymi. Ale nie wszystkie gwiazdy neutronowe są pulsarami). Chociaż astronomowie nie są do końca pewni, jaki mechanizm wytwarza strumień radiowy pulsara, sądzą, że ma to związek z takimi czynnikami, jak obrót gwiazdy i pole magnetyczne. Ale do tej pory astronomowie nie wykryli takich impulsów radiowych z kierunku SN 1987A. Co więcej, aktualna ilość energii w blobie nie wydaje się pozwalać na dodatkową energię pochodzącą z impulsów wewnątrz. Aby definitywnie ustalić, czy NS 1987A jest pulsarem, czy tylko zwykłą gwiazdą neutronową, astronomowie muszą kontynuować dopracowywanie szacowanej masy i temperatury plamki. Następnie, dokładnie wyszukując okresowe zmiany jasności plamki, mogą być w stanie powiązać wszelkie migotanie z jednostajnym rytmem pulsara w środku.

Do tego czasu jednak naukowcy są po prostu zadowoleni, że prawdopodobnie odkryta została licząca kilkadziesiąt lat tajemnica dotycząca tego, co czai się w rdzeniu SN 1987A. Ale mimo to można się założyć, że astronomowie nie przestaną śledzić następstw kosmicznej eksplozji w najbliższym czasie.

Czy astronomowie mogą przewidzieć, które gwiazdy eksplodują jako supernowe?

W niedawnym badaniu przesłanym do High Energy Astrophysical Phenomena, zespół naukowców z Japonii omawia strategie obserwacji i prawdopodobnie przewidywania sygnatur prekursorów eksplozji lokalnych supernowych typu II i galaktycznych (SNe). Badanie to może pomóc nam lepiej zrozumieć, jak i kiedy supernowe mogą wystąpić w całym wszechświecie, przy czym supernowe są mnogą formą supernowych (SN). Ale jak ważne jest wykrycie supernowych, zanim się pojawią?

Z mojej perspektywy jest to ważne w dwóch aspektach. Po pierwsze, chociaż wiemy, że supernowe (SNe) to eksplozje sygnalizujące śmierć masywnych gwiazd, to, co dzieje się pod koniec ich życia, wciąż pozostaje tajemnicą. W rzeczywistości prekursorów SN, sugerowanych w ostatnich pracach obserwacyjnych, nie przewiduje się na podstawie standardowej teorii ewolucji gwiazd. Nasz artykuł twierdzi, że możemy dogłębnie zbadać tego prekursora dzięki przyszłym obserwacjom, które mogą pomóc pogłębić nasze zrozumienie ewolucji gwiazd i udoskonalić istniejącą teorię. Po drugie, znalezienie prekursora SN pozwoliłoby na bardzo wczesne zaalarmowanie o zbliżającym się SN i pomoże wydłużyć dostępne ramy czasowe w celu koordynowania wielu komunikatorów (światło, neutrina itp).powiedział dr Daichi Tsuna, który jest astrofizykiem w Centrum Badawczym Wczesnego Wszechświata na Uniwersytecie w Tokio i głównym autorem badania.

Do badań naukowcy wykorzystali kod open-source CHIPS (Complete History of Interaction-Powered Supernovae), aby stworzyć teoretyczny model takiego wyładowania z masowej erupcji czerwonego nadolbrzyma. Jest to intrygujące, ponieważ gwiazda Betelguese, którą w 2019 zaobserwowano, że przyciemniała jasność , wywołując dyskusje na temat możliwej przemiany w supernową, jest również czerwonym nadolbrzymem. Jak się okazuje, Betelguese zbliża się do końca swojego życia, ale badania z 2021 r. wykazały, że nie ma eksplodować przez kolejne 100 000 lat. Ale jakie konsekwencje mogą mieć te badania dla Betelguese?

Betelgeuse to czerwony nadolbrzym, dokładnie taki sam rodzaj gwiazdy, jaki badaliśmy w tym artykule. Tak więc, jeśli Betelgeuse miałaby eksplodować bardzo szybko, może wykazywać ten rodzaj emisji prekursora tuż przed SN. Ponieważ Betelgeuse jest bardzo blisko nas, detektory neutrin mogą znaleźć neutrina emitowane już na kilka dni przed SN. Możemy robić astronomię z wieloma posłańcami jeszcze przed wybuchem SN!wyjaśnia dr Tsuna.

Wyniki badania wskazują, że krzywe światła erupcji są napędzane krótkim impulsem fali uderzeniowej trwającym tylko kilka dni, po czym następuje znacznie dłuższe wyładowanie chłodzące trwające setki dni. W przypadku erupcji o niższej energii, po tym okresie następuje okres słabego szczytu, napędzany przez tak zwaną obwiednię związaną, cofającą się. Badanie kończy się stwierdzeniem, że takie masowe erupcje, mogą służyć jako wczesne ostrzeżenie przed niedalekim SN w niedalekiej przyszłości, co będzie ważne dla wielokomunikacyjnych badań nad zapadnięciem się rdzenia SNe.

Jedną rzeczą, którą chciałbym podkreślić, jest to, że mamy przed sobą świetlaną przyszłość, aby wykryć tego rodzaju raczej niewyraźne prekursory. Na przykład za kilka lat Obserwatorium Rubina przeprowadzi szerokokątne obserwacje badawcze z czułością znacznie głębszą niż obecne badania. Byłby wystarczająco czuły, aby faktycznie wykryć tego rodzaju emisje i może być sondą niezwykłych końcowych etapów życia masywnej gwiazdy.powiedział dr Tsuna.

Hubble pokazuje ocalałą gwiazdę towarzyszącą zjawisku supernowej

Nie jest niczym niezwykłym znalezienie ocalałej gwiazdy na miejscu wybuchu gigantycznej supernowej, która miała zniszczyć wszystko wokół niej, ale najnowsze badania z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a dostarczyły długo wyczekiwanej wskazówki na temat konkretnego typu umierających gwiazdy. W niektórych przypadkach supernowych astronomowie nie znajdują śladu po zewnętrznej warstwie wodoru byłej gwiazdy. Co się stało z wodorem? Podejrzenia, że ​​gwiazdy towarzyszące są odpowiedzialne za wysysanie zewnętrznej powłoki swoich partnerów przed ich śmiercią, są poparte zidentyfikowaniem przez Hubble’a ocalałej gwiazdy towarzyszącej na scenie supernowej 2013ge. Odkrycie wspiera również teorię, że większość masywnych gwiazd tworzy się i ewoluuje jako układy podwójne. Może to być również prequelem kolejnego kosmicznego dramatu: z czasem ocalała, masywna gwiazda towarzysząca również ulegnie supernowej i jeśli pozostałe jądra obu gwiazd nie zostaną wyrzucone z układu, w końcu połączą się i wytworzą fale grawitacyjne. wstrząsając samą tkanką przestrzeni.

Kosmiczny Teleskop Hubble’a NASA odkrył świadka na miejscu wybuchowej śmierci gwiazdy: gwiazdę towarzyszącą wcześniej ukrytą w blasku supernowej swojej partnerki. Odkrycie jest pierwszym w przypadku szczególnego typu supernowej — takiej, w której gwiazda została pozbawiona całej zewnętrznej otoczki gazowej przed wybuchem.

Odkrycie zapewnia kluczowy wgląd w binarną naturę masywnych gwiazd, a także potencjalną prequel do ostatecznego połączenia towarzyszących gwiazd, które grzechotałyby we wszechświecie jako fale grawitacyjne, falujące w samej czasoprzestrzeni.

Astronomowie wykrywają sygnatury różnych pierwiastków w wybuchach supernowych. Te elementy są ułożone warstwami jak cebula przed supernową. Wodór znajduje się w najbardziej zewnętrznej warstwie gwiazdy, a jeśli w następstwie supernowej nie wykryto wodoru, oznacza to, że został on usunięty przed wybuchem.

Przyczyna utraty wodoru była tajemnicą, a astronomowie używali Hubble’a do poszukiwania wskazówek i testowania teorii wyjaśniających te obnażone supernowe. Nowe obserwacje Hubble’a dostarczają najlepszych dowodów na poparcie teorii, że niewidoczna gwiazda towarzysząca wysysa otoczkę gazową ze swojej gwiazdy partnerskiej, zanim eksploduje.

To był moment, na który czekaliśmy, w końcu dostrzegając dowody na protoplastę układu podwójnego w pełni pozbawionej supernowej. Celem jest przeniesienie tego obszaru badań z teorii do pracy z danymi i zobaczenia, jak naprawdę wyglądają te systemy.powiedział astronom Ori Fox z Space Telescope Science Institute w Baltimore w stanie Maryland, główny badacz programu badawczego Hubble'a.

Zespół Foxa wykorzystał szerokokątną kamerę Hubble’a do badania obszaru supernowej (SN) 2013ge w świetle ultrafioletowym, a także poprzednie obserwacje Hubble’a w Archiwum Barbary A. Mikulski dla Kosmicznych Teleskopów (MAST). Astronomowie zauważyli, że światło supernowej zanikało w latach 2016-2020, ale inne pobliskie źródło światła ultrafioletowego w tej samej pozycji utrzymało swoją jasność. Zespół proponuje, aby to podstawowe źródło emisji ultrafioletu było żyjącym towarzyszem binarnym SN 2013ge.

Dwa przez dwa?

Wcześniej naukowcy wysuwali teorię, że silne wiatry masywnej gwiazdy progenitorowej mogą zdmuchnąć otoczkę z gazem wodorowym, ale dowody obserwacyjne tego nie potwierdzają. Aby wyjaśnić rozbieżność, astronomowie opracowali teorie i modele, w których towarzysz binarny wysysa wodór.

W ostatnich latach wiele różnych linii dowodowych mówiło nam, że supernowe obnażone prawdopodobnie powstają w układach podwójnych, ale tak naprawdę nie widzieliśmy jeszcze towarzysza. Tak wiele badań kosmicznych eksplozji przypomina kryminalistykę – poszukiwanie wskazówek i sprawdzanie, które teorie pasują do siebie. Dzięki Hubble’owi jesteśmy w stanie zobaczyć to bezpośrednio.powiedziała Maria Drout z University of Toronto, członek zespołu badawczego Hubble'a.

We wcześniejszych obserwacjach SN 2013ge Hubble dostrzegł dwa piki w świetle ultrafioletowym, a nie tylko ten typowy dla większości supernowych. Fox powiedział, że jednym z wyjaśnień tego podwójnego pojaśnienia jest to, że drugi szczyt pokazuje, kiedy fala uderzeniowa supernowej uderza w gwiazdę towarzyszącą, co teraz wydaje się znacznie bardziej prawdopodobne. Ostatnie obserwacje Hubble’a wskazują, że chociaż gwiazda towarzysząca została znacznie zepchnięta, łącznie z gazem wodorowym, który wypompowała ze swojego partnera, nie została zniszczona. Fox porównuje ten efekt do podskakującej miski galaretki, która w końcu wróci do swojej pierwotnej formy.

Chociaż trzeba znaleźć dodatkowe potwierdzenie i podobne wspierające odkrycia, Fox powiedział, że implikacje tego odkrycia są nadal znaczące, wspierając teorie, że większość masywnych gwiazd tworzy się i ewoluuje jako układy podwójne.

Jeden do obejrzenia

W przeciwieństwie do supernowych, które mają spuchniętą powłokę gazu, która zapala się, prekursory supernowych z całkowicie pozbawioną otoczki okazały się trudne do zidentyfikowania na zdjęciach sprzed eksplozji. Teraz, gdy astronomowie mieli szczęście zidentyfikować ocalałą gwiazdę towarzyszącą, mogą wykorzystać ją do cofnięcia się i określenia charakterystyki gwiazdy, która eksplodowała, a także bezprecedensowej okazji do obserwowania, jak rozwijają się jej następstwa z ocalałym.

Jako sama masywna gwiazda, towarzyszowi SN 2013ge również skazana jest na przejście supernowej. Jej były partner jest teraz prawdopodobnie zwartym obiektem, takim jak gwiazda neutronowa lub czarna dziura, a towarzysz prawdopodobnie również pójdzie tą drogą.

Bliskość pierwotnych gwiazd towarzyszących określi, czy pozostaną razem. Jeśli odległość będzie zbyt duża, towarzysząca gwiazda zostanie wyrzucona z układu, by samotnie wędrować po naszej galaktyce, co może wyjaśnić wiele pozornie samotnych supernowych. Jeśli jednak gwiazdy były wystarczająco blisko siebie przed supernową, będą nadal krążyć wokół siebie jako czarne dziury lub gwiazdy neutronowe. W takim przypadku w końcu skręciłyby się ku sobie i połączyły, tworząc w tym procesie fale grawitacyjne.

To ekscytująca perspektywa dla astronomów, ponieważ fale grawitacyjne to gałąź astrofizyki, która dopiero zaczyna być badana. Są to fale lub zmarszczki w samej tkance czasoprzestrzeni, przewidziane przez Alberta Einsteina na początku XX wieku. Fale grawitacyjne zostały po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowane przez Obserwatorium Laserowego Interferometru Grawitacyjnego (LIGO).

Dzięki ocalałemu towarzyszowi SN 2013ge możemy potencjalnie zobaczyć prequel fali grawitacyjnej, chociaż takie zdarzenie nadal będzie miało miejsce około miliarda lat w przyszłości.powiedział Fox.

Fox i jego współpracownicy będą współpracować z Hubble’em, aby zbudować większą próbkę ocalałych gwiazd towarzyszących innym supernowym, co w efekcie zapewni SN 2013ge znowu jakieś towarzystwo.

Istnieje ogromny potencjał poza samym zrozumieniem samej supernowej. Ponieważ obecnie znamy większość masywnych gwiazd we wszechświecie w postaci podwójnych, konieczne są obserwacje ocalałych gwiazd towarzyszących, aby pomóc zrozumieć szczegóły powstawania układów podwójnych, zamiany materiałów i współ- ewolucyjny rozwój. To ekscytujący czas na badanie gwiazd.powiedział Fox.

Zrozumienie cyklu życia masywnych gwiazd jest dla nas szczególnie ważne, ponieważ wszystkie ciężkie pierwiastki wykute są w ich jądrach i poprzez supernowe. Te pierwiastki tworzą znaczną część obserwowalnego Wszechświata, w tym życia, jakie znamy.dodał współautor Alex Filippenko. Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.
info: HubbleSite