Nie wszystkie supernowe typu Ia powstają jednakowo

Supernowe to eksplozje kończące życie gwiazd o określonych parametrach, są tak jasne i wysokoenergetyczne, że mogą przez pewien czas przyćmić całą galaktykę. Występują w dwóch szerokich typach: typu I i typu II. Supernowe typu II są tak zwanymi supernowymi z kolapsem jądra. Pojawiają się, gdy masywna umierająca gwiazda łączy coraz cięższe pierwiastki w swoim jądrze, aż wyczerpią się opcje energetyczne, a jej jądro zapada się pod własnym ciężarem, co powoduje eksplozję.

Pierwotne rozróżnienie między typami polegało na tym, że linie emisji wodoru można było zobaczyć w zdarzeniach typu II, ale nie typu I. Na tej podstawie sądzono, że typ I prawdopodobnie wiązał się z kataklizmiczną eksplozją białych karłów, ponieważ białe karły nie zawierają dużo wodoru. Z biegiem czasu astronomowie odkryli, że podgrupa supernowych typu I zawiera linie emisyjne zjonizowanego krzemu podczas ich maksymalnej jasności, a te stały się znane jako typ Ia.

Prawdopodobnie słyszałeś o supernowych typu Ia, ponieważ mają bardzo użyteczne właściwości. Wszystkie mają tendencję do wybuchania z mniej więcej taką samą maksymalną jasnością. Oznacza to, że obserwując jego maksymalną widoczną jasność, można określić, jak daleko się znajduje. W astronomii nazywamy je świecami standardowymi i odgrywają kluczową rolę w kosmologii. Odkrycie kosmicznej ekspansji i ciemnej energii wynika z obserwacji supernowych typu Ia.

Prawdopodobnie występują, gdy biały karzeł ma bliskiego gwiezdnego towarzysza. Gdy gwiazda towarzysząca starzeje się i zaczyna się rozszerzać, gaz z gwiazdy jest przechwytywany przez białego karła. Trwa to do momentu, gdy biały karzeł wychwytuje zbyt dużo materii, aby utrzymać swój ciężar, osiągając masę około 1,4 Słońca. W tym momencie biały karzeł zapada się, wywołując eksplozję. Ponieważ masa krytyczna, znana jako granica Chandrasekhara, jest zawsze taka sama, supernowe mają podobną jasność.

Ale ponieważ typ Ia zależy od akrecji materii na białego karła, nie wszystkie są takie same. Kilka typów Ia jest znacznie jaśniejszych niż zwykle, z silnymi liniami absorpcji żelaza, i istnieje wariant znany jako Typ Iax, w którym biały karzeł może nie zostać całkowicie zniszczony. Nadal nie jesteśmy do końca pewni, w jaki sposób te supernowe są wyzwalane, dlatego ostatnie badania są tak ważne.

Badanie zostało właśnie opublikowane w Nature i opisuje pierwszą obserwację radiową supernowej typu Ia. Typy supernowych są identyfikowane przez ich linie widmowe w zakresie optycznym i podczerwonym. Obserwacje radiowe supernowych typu II pomogły astronomom zrozumieć, w jaki sposób bardzo duże gwiazdy kończą swoje życie. Ale nie mieliśmy obserwacji radiowych eksplozji białych karłów, ponieważ nie są one jasne na falach radiowych.

Następnie w 2020 roku Zwicky Transient Facility Camera w Obserwatorium Palomar uchwyciła supernową o nazwie SN 2020eyj. Było to niezwykłe, ponieważ obserwacje widm pokazały, że supernowa była otoczona gazem bogatym w hel. Zjonizowany hel emituje światło radiowe, więc zespół obserwował supernową na falach radiowych i z pewnością obserwował to wydarzenie.

Jest to ważne, ponieważ daje astronomowi lepsze zrozumienie środowiska prowadzącego do wybuchu supernowej. W tym przypadku gwiazda towarzysząca prawdopodobnie straciła większość swojej masy przed eksplozją. Część jego materii została przechwycona przez białego karła, ale większość z nich rozszerzyła się wokół gwiazd, tworząc środowisko bogate w hel.

Dzięki przyszłym obserwacjom radiowym astronomowie mogliby zrozumieć, dlaczego supernowe typu Ia występują w kilku wariantach. Może to również pomóc w udoskonaleniu ich zastosowania jako świec standardowych.

Co dzieje się w odległości 160 lat świetlnych od supernowej

Supernowe są niezwykle powszechne we Wszechświecie. Na podstawie obserwacji izotopów takich jak aluminium-26 wiemy, że supernowa występuje średnio co około pięćdziesiąt lat w samej Drodze Mlecznej. Supernowa może przyćmić galaktykę, więc nie chciałbyś, aby twoja nadająca się do zamieszkania planeta znajdowała się w odległości kilku lat świetlnych, kiedy wybuchnie. Na szczęście większość supernowych miała miejsce bardzo daleko od Ziemi, ale rodzi to interesujące pytanie. Jeśli chodzi o supernowe, jak blisko jest zbyt blisko? Jak pokazują ostatnie badania, odpowiedź zależy od rodzaju supernowej.

Istnieją dowody geologiczne na to, że supernowe występowały w przeszłości dość blisko Ziemi. Izotop żelaza-60 ma okres połowicznego rozpadu wynoszący zaledwie 2,6 miliona lat i został znaleziony w osadach dna oceanicznego odłożonych około 2 miliony lat temu. Znaleziono go również w rdzeniach lodowych Antarktydy i księżycowym regolicie, co sugeruje wybuch supernowej w tym czasie. Próbki skorupy ziemskiej wskazują na dowody na inne zdarzenie supernowej około 8 milionów lat temu. Oba miały miejsce prawdopodobnie w odległości kilkuset lat świetlnych od Ziemi, być może nawet 65 lat świetlnych. Wydaje się, że żadna z tych supernowych nie spowodowała masowego wymierania całej planety, więc można by pomyśleć, że każda supernowa odleglejsza niż 100 lat świetlnych jest nieszkodliwa.

Ekosfera dla galaktyki Drogi Mlecznej. Źródło: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech)

To nowe badanie sugeruje inaczej. Wcześniejsze badania koncentrowały się na dwóch niebezpiecznych okresach supernowej: ogólnej jasności początkowej eksplozji docierającej do planety z prędkością światła oraz strumieniu energetyzowanych cząstek, które mogą uderzyć w planetę setki lub tysiące lat później. Oba mają tendencję do słabych efektów na przestrzeni setek lat świetlnych. Pobliska supernowa może na jakiś czas przyćmić Księżyc, co wpłynęłoby na nocne wzorce niektórych stworzeń, ale nie wywołałoby masowego wymierania. Podobnie nasza atmosfera jest dobrą barierą dla promieni kosmicznych, dlatego ich wybuch przez pewien czas jest stosunkowo nieszkodliwy. Ale to badanie dotyczyło w szczególności światła rentgenowskiego emitowanego przez jakąś supernową i tutaj może się pogorszyć.

Promienie rentgenowskie są szczególnie dobre w zakłócaniu rzeczy takich jak ozon. Silna wiązka promieniowania rentgenowskiego z supernowej może usunąć warstwę ozonową z planety takiej jak Ziemia, pozostawiając ją otwartą na promieniowanie ultrafioletowe ze Słońca. Światło ultrafioletowe może wywołać powstanie warstwy smogu dwutlenku azotu, co doprowadziłoby do kwaśnych deszczy i de-greeningu planety na szeroką skalę.

Ekosfera dla galaktyki Drogi Mlecznej zależy od kilku czynników. Źródło: Lineweaver, et al

Tak więc śmiertelna odległość supernowej zależy nie tylko od jej bliskości do planety nadającej się do zamieszkania, ale także od poziomu promieniowania rentgenowskiego, które generuje. Zespół przyjrzał się widmom rentgenowskim prawie trzech tuzinów supernowych w ciągu ostatnich 45 lat i obliczył śmiertelną odległość dla każdej z nich. Najbardziej nieszkodliwa była popularna supernowa z 1987 roku, która była bezpieczna w odległości około roku świetlnego. Najbardziej potencjalnie śmiercionośną była supernowa o nazwie 2006jd, która może zabić planetę nadającą się do zamieszkania z odległości do 160 lat świetlnych.

Żeby było jasne, nie ma w pobliżu żadnej gwiazdy, która stanowi potencjalne zagrożenie dla Ziemi, nawet Betelgeza. Ale te badania pomagają nam lepiej określić, gdzie planety nadające się do zamieszkania mogą przetrwać w naszej galaktyce. Tak jak planeta nadająca się do zamieszkania nie może znajdować się zbyt blisko swojej gwiazdy, tak układ planetarny nie może znajdować się zbyt blisko obszarów, w których supernowe są najczęstsze, takich jak centrum naszej galaktyki.

Webb ujawnia nigdy wcześniej nie widziane szczegóły w Cassiopeia A

Eksplozja gwiazdy jest dramatycznym wydarzeniem, ale szczątki, które pozostawia po sobie gwiazda, mogą być jeszcze bardziej dramatyczne. Nowe zdjęcie w średniej podczerwieni z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba dostarcza oszałamiającego przykładu. Pokazuje pozostałość po supernowej Cassiopeia A (Cas A), powstałą w wyniku gwiezdnej eksplozji 340 lat temu z perspektywy Ziemi. Cas A jest najmłodszą znaną pozostałością po eksplodującej, masywnej gwieździe w naszej galaktyce, co czyni ją wyjątkową okazją, aby dowiedzieć się więcej o tym, jak powstają takie supernowe.

Cas A stanowi naszą najlepszą okazję, aby przyjrzeć się polu szczątków eksplodującej gwiazdy i przeprowadzić rodzaj gwiezdnej autopsji, aby wcześniej zrozumieć, jaki typ gwiazdy tam był i jak ta gwiazda eksplodowała.mówi Danny Milisavljevic z Purdue University w West Lafayette w stanie Indiana, główny badacz programu Webba, który uchwycił te obserwacje.

“W porównaniu z poprzednimi zdjęciami w podczerwieni widzimy niesamowite szczegóły, do których wcześniej nie byliśmy w stanie uzyskać dostępu” – dodała Tea Temim z Princeton University w Princeton w stanie New Jersey, współbadaczka programu.

Cassiopeia A jest prototypową pozostałością po supernowej, która była szeroko badana przez wiele obserwatoriów naziemnych i kosmicznych, w tym NASA Obserwatorium rentgenowskie Chandra. Obserwacje na wielu długościach fali można łączyć, aby zapewnić naukowcom pełniejsze zrozumienie pozostałości.

Uderzające kolory nowego obrazu Cas A, w którym światło podczerwone jest tłumaczone na długości fal światła widzialnego, zawierają bogactwo informacji naukowych, które zespół dopiero zaczyna poznawać. Na zewnątrz bańki, szczególnie na górze i po lewej stronie, leżą zasłony z materiału wyglądającego na pomarańczowy i czerwony z powodu emisji ciepłego pyłu. Oznacza to, gdzie wyrzucona materia z eksplodującej gwiazdy wbija się w otaczający ją gaz i pył. Wewnątrz tej zewnętrznej skorupy leżą cętkowane włókna jasnoróżowego wysadzanego kępami i węzłami. Reprezentuje to materię z samej gwiazdy, która świeci z powodu mieszanki różnych ciężkich pierwiastków, takich jak tlen, argon i neon, a także emisji pyłu.

Wciąż próbujemy rozwikłać wszystkie te źródła emisji.powiedziała Ilse De Looze z Uniwersytetu w Gandawie w Belgii, inna współbadaczka programu.

Materia gwiazdowa może być również widoczna jako słabsze pasma w pobliżu wnętrza jamy.

Być może najbardziej widoczna jest pętla reprezentowana na zielono rozciąga się po prawej stronie centralnej wnęki.

Nazwaliśmy go Zielonym Potworem na cześć Fenway Park w Bostonie. Jeśli przyjrzysz się uważnie, zauważysz, że jest podziobany czymś, co wygląda jak mini-bąbelki. Kształt i złożoność są nieoczekiwane i trudne do zrozumienia.powiedział Milisavljevic.

Wśród pytań naukowych, na które Cas A może pomóc odpowiedzieć, jest: Skąd pochodzi pył kosmiczny? Obserwacje wykazały, że nawet bardzo młode galaktyki we wczesnym Wszechświecie są wypełnione ogromnymi ilościami pyłu. Trudno wyjaśnić pochodzenie tego pyłu bez przywoływania supernowych, które wyrzucają duże ilości ciężkich pierwiastków (bloków budulcowych pyłu) w przestrzeni kosmicznej. Jednak istniejące obserwacje supernowych nie były w stanie jednoznacznie wyjaśnić ilości pyłu, który widzimy w tych wczesnych galaktykach. Badając Cas A z Webbem, astronomowie mają nadzieję lepiej zrozumieć zawartość pyłu, co może pomóc nam zrozumieć, gdzie powstają bloki budulcowe planet i nas samych.

W Cas A możemy przestrzennie rozdzielić regiony, które mają różny skład gazu i przyjrzeć się, jakie rodzaje pyłu powstały w tych regionach.wyjaśnia Temim.

Supernowe, takie jak ta, która uformowała Cas A, są kluczowe dla życia, jakie znamy. Rozprzestrzeniają pierwiastki takie jak wapń, który znajdujemy w naszych kościach i żelazo w naszej krwi w przestrzeni międzygwiezdnej, zasiewając nowe generacje gwiazd i planet.

Rozumiejąc proces wybuchania gwiazd, czytamy naszą własną historię pochodzenia. Zamierzam spędzić resztę mojej kariery, próbując zrozumieć, co jest w tym zestawie danych.mówi Milisavljevic.

Pozostałość Cas A rozciąga się na około 10 lat świetlnych i znajduje się 11 000 lat świetlnych od nas w gwiazdozbiorze Kasjopei.

Wolf-Rayet 124: Gwiazda w okresie przejściowym. Webb uchwycił rzadko obserwowane preludium do supernowej

Gwiazdy Wolfa-Rayeta są rzadkim preludium do słynnego ostatniego aktu masywnych gwiazd: supernowej. W jednej ze swoich pierwszych obserwacji Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba uchwycił gwiazdę Wolfa-Rayeta WR 124 z niespotykaną dotąd szczegółowością. Charakterystyczne halo gazu i pyłu otacza gwiazdę i świeci w świetle podczerwonym wykrytym przez Webba, wykazując sękatą strukturę i historię epizodycznych wyrzutów. Pomimo tego, że jest to scena zbliżającej się gwiezdnej “śmierci”, astronomowie spoglądają również na gwiazdy Wolfa-Rayeta, aby uzyskać wgląd w nowe początki. Kosmiczny pył tworzy się w burzliwych mgławicach otaczających tego typu gwiazdy, który składa się z ciężkich pierwiastków budulcowych współczesnego wszechświata, w tym życia na Ziemi.

Rzadki widok gwiazdy Wolfa-Rayeta – jednej z najjaśniejszych, najmasywniejszych i najkrócej wykrywalnych gwiazd – był jednym z pierwszych obserwacji wykonanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba w czerwcu 2022 roku. Webb pokazuje gwiazdę WR 124 w niespotykanych dotąd szczegółach za pomocą potężnych instrumentów podczerwonych. Gwiazda znajduje się 15 000 lat świetlnych od nas w gwiazdozbiorze Strzelca.

Masywne gwiazdy prześcigają się w swoich cyklach życia i tylko niektóre z nich przechodzą krótką fazę Wolfa-Rayeta, zanim staną się supernową, dzięki czemu szczegółowe obserwacje Webba tej rzadkiej fazy są cenne dla astronomów. Gwiazdy Wolfa-Rayeta są w trakcie odrzucania swoich zewnętrznych warstw, w wyniku czego powstają charakterystyczne halo gazu i pyłu. Gwiazda WR 124 ma masę 30 razy większą od masy Słońca i jak dotąd straciła materię wartą 10 Słońc. Gdy wyrzucony gaz oddala się od gwiazdy i ochładza się, kosmiczny pył tworzy się i świeci w świetle podczerwonym wykrywalnym przez Webba.

Pochodzenie pyłu kosmicznego, który może przetrwać wybuch supernowej i przyczynić się do ogólnego “budżetu pyłowego” Wszechświata, jest bardzo interesujące dla astronomów z wielu powodów. Pył jest integralną częścią działania wszechświata: chroni tworzące się gwiazdy, gromadzi się, aby pomóc w tworzeniu planet i służy jako platforma dla cząsteczek do formowania się i zlepiania – w tym cegiełek życia na Ziemi. Pomimo wielu istotnych ról, jakie odgrywa pył, we wszechświecie wciąż jest więcej pyłu, niż obecne teorie astronomów dotyczące powstawania pyłu mogą wyjaśnić. Wszechświat działa z nadwyżką budżetu pyłu.

Webb otwiera nowe możliwości badania szczegółów w kosmicznym pyle, który najlepiej obserwować w podczerwieni. Kamera na bliską podczerwień (NIRCam) równoważy jasność gwiezdnego jądra WR 124 i zawiłe szczegóły w słabszym otaczającym gazie. Instrument średniej podczerwieni (MIRI) na teleskopie ujawnia grudkowatą strukturę mgławicy gaz i pył wyrzucanej materii otaczającej gwiazdę. Przed Webbem kochający pył astronomowie po prostu nie mieli wystarczająco szczegółowych informacji, aby zbadać kwestie produkcji pyłu w środowiskach takich jak WR 124 oraz czy ziarna pyłu były wystarczająco duże i obfite, aby przetrwać supernową i stać się znaczącym wkładem w ogólny budżet pyłu. Teraz te pytania można zbadać za pomocą prawdziwych danych.

Gwiazdy takie jak WR 124 służą również jako analog, aby pomóc astronomom zrozumieć kluczowy okres we wczesnej historii Wszechświata. Podobne umierające gwiazdy po raz pierwszy zasiały młody Wszechświat ciężkimi pierwiastkami wykutymi w ich jądrach – pierwiastkami, które są obecnie powszechne w obecnej erze, w tym na Ziemi.

Szczegółowy obraz WR 124 Webba zachowuje na zawsze krótki, burzliwy czas transformacji i obiecuje przyszłe odkrycia, które ujawnią długo owiane tajemnice kosmicznego pyłu.

info: WebbTelescope.org