Międzynarodowy zespół astronomów odkrył pierwszy niezbity dowód na istnienie gwiazdy neutronowej w centrum SN 1987A.
Supernowe są efektownym wynikiem zakończonego cyklu życia gwiazd o masie przekraczającej 8-10 mas Słońca. Stanowią one główne źródło pierwiastków chemicznych, takich jak węgiel, tlen, krzem i żelazo, które są niezbędne do istnienia życia. Kolaps jądra tych wybuchających gwiazd może prowadzić do powstania znacznie mniejszych gwiazd neutronowych, składających się z najgęstszej materii w znanym Wszechświecie, lub też do utworzenia czarnych dziur.
Supernowa 1987A, znajdująca się w Wielkim Obłoku Magellana, sąsiedniej galaktyce karłowatej, była najbliższą, najjaśniejszą supernową widzianą na nocnym niebie od 400 lat.
Neutrina, niewyobrażalnie małe cząstki subatomowe, zostały wyprodukowane w supernowej i wykryte na Ziemi (23 lutego 1987 roku) dzień przed obserwacją supernowej, co wskazuje, że musiała powstać gwiazda neutronowa. Nie wiadomo jednak, czy gwiazda neutronowa przetrwała, czy zapadła się w czarną dziurę, ponieważ gwiazdę przesłonił pył powstały po eksplozji.
W nowym badaniu, opublikowanym w czasopiśmie Science, naukowcy wykorzystali dwa instrumenty zainstalowane na Kosmicznym Teleskopie Jamesa Webba (JWST) – MIRI i NIRSpec – do obserwacji supernowej w podczerwieni. Znaleźli oni dowody na istnienie ciężkich atomów argonu i siarki, których zewnętrzne elektrony zostały usunięte (czyli zostały zjonizowane) w pobliżu miejsca, w którym nastąpiła eksplozja gwiazdy.
Zespół przeprowadził modelowanie różnych scenariuszy i odkrył, że atomy te mogły zostać zjonizowane jedynie przez promieniowanie UV i rentgenowskie z gorącej, stygnącej gwiazdy neutronowej. Alternatywnie, mogły zostać zjonizowane przez wiatry relatywistycznych cząstek przyspieszanych przez szybko rotującą gwiazdę neutronową i oddziałujących z otaczającą materią supernowej (mgławica synchrotronowa).
Jeżeli pierwszy scenariusz jest prawdziwy, powierzchnia gwiazdy neutronowej miałaby około miliona stopni, po ochłodzeniu ze 100 miliardów stopni w momencie formowania się w jądrze zapadnięcia się ponad 30 lat wcześniej.
Współautor pracy, profesor Mike Barlow, powiedział: Nasze wykrycie za pomocą spektrometrów MIRI i NIRSpec Jamesa Webba silnie zjonizowanych linii emisyjnych argonu i siarki z samego centrum mgławicy otaczającej SN 1987A jest bezpośrednim dowodem na obecność centralnego źródła promieniowania jonizującego. Nasze dane można dopasować tylko do gwiazdy neutronowej jako źródła tego promieniowania jonizującego.
Promieniowanie to może być emitowane z powierzchni gorącej gwiazdy neutronowej o temperaturze miliona stopni, a także przez mgławicę wiatru pulsarowego, która mogła powstać, gdy gwiazda neutronowa szybko rotuje i ciągnie wokół siebie naładowane cząstki.
Tajemnica tego, czy gwiazda neutronowa ukrywa się w pyle, ciągnie się od ponad 30 lat i ekscytujące jest, że ją rozwiązaliśmy.
Supernowe są głównym źródłem pierwiastków chemicznych, które umożliwiają istnienie życia – dlatego chcemy, aby nasze modele były poprawne. Nie ma innego obiektu podobnego do gwiazdy neutronowej z SN 1987A, który znajdowałby się tak blisko nas i powstał tak niedawno. Ponieważ otaczająca ją materia rozszerza się, w miarę upływu czasu będziemy widzieć jej coraz więcej.
Profesor Claes Fransson, główny autor badania, powiedział: Dzięki wspaniałej rozdzielczości przestrzennej i doskonałym instrumentom na JWST po raz pierwszy udało nam się zbadać centrum supernowej i to, co tam powstało.
Teraz wiemy, że istnieje zwarte źródło promieniowania jonizującego, najprawdopodobniej z gwiazdy neutronowej. Szukaliśmy tego od czasu eksplozji, ale musieliśmy czekać na JWST, aby móc zweryfikować przewidywania.
Dr Patrick Kavanagh, drugi autor badania, powiedział: Pierwsze obserwacje SN 1987A za pomocą JWST były niezwykle ekscytujące. Kiedy sprawdziliśmy dane MIRI i NIRSpec, wyskoczyła bardzo jasna emisja argonu w centrum SN 1987A. Od razu wiedzieliśmy, że to coś wyjątkowego, co może wreszcie odpowiedzieć na pytania o naturę tego zwartego obiektu.
Profesor Josefin Larsson, współautorka badania, powiedziała: Ta supernowa wciąż oferuje nam niespodzianki. Nikt nie przewidział, że zwarty obiekt zostanie wykryty przez bardzo silną linię emisyjną argonu, więc to trochę zabawne, że właśnie w ten sposób znaleźliśmy go w danych z JWST.
Modele wskazują, że ciężkie atomy argonu i siarki są produkowane w dużych ilościach w wyniku nukleosyntezy wewnątrz masywnych gwiazd tuż przed ich wybuchem.
Podczas gdy większość masy eksplodującej gwiazdy rozszerza się teraz z prędkością do 10 000 km/s i jest rozłożona na dużej objętości, zjonizowane atomy argonu i siarki zaobserwowano w pobliżu centrum, w którym nastąpiła eksplozja.
Promieniowanie UV i rentgenowskie, które, jak się uważa, zjonizowało atomy, zostało przewidziane w 1992 roku jako unikalna sygnatura nowo powstałej gwiazdy neutronowej.
Te zjonizowane atomy zostały wykryte przez instrumenty MIRI i NIRSpec JWST przy użyciu techniki zwanej spektroskopią, w której światło jest rozpraszane na widmo, umożliwiając astronomom pomiar światła o różnych długościach fal w celu określenia właściwości fizycznych obiektu, w tym jego składu chemicznego.
Zespół UCL w Mullard Space Science Laboratory zaprojektował i zbudował źródło kalibracyjne NIRSpec, które pozwala instrumentowi na wykonanie bardziej precyzyjnych pomiarów poprzez zapewnienie równomiernego, referencyjnego oświetlenia detektorów.
O supernowej 1987A
SN 1987A jest najlepiej zbadaną i zaobserwowano supernową ze wszystkich.
Wybuch supernowej SN 1987A miał miejsce 23 lutego 1987 roku w Wielkim Obłoku Magellana, w odległości 160 000 lat świetlnych, co uczyniło ją najbliższą supernową od czasu ostatniej zaobserwowanej nieuzbrojonym okiem przez Jana Keplera w 1604 roku. Przez kilka miesięcy, zanim zgasła, SN 1987A była widoczna nieuzbrojonym okiem nawet z tej odległości.
Co więcej, jest to jedyna supernowa, która została wykryta za pomocą neutrin. To istotne, ponieważ przewidywano, że 99,9% ogromnej energii wyemitowanej w tym zdarzeniu zostanie utracone w postaci wyjątkowo słabo oddziałujących cząstek.
Pozostałe 0,1% pojawia się w energii ekspansji pozostałości i jako światło. Z ogromnej liczby (około 1058) wyemitowanych neutrin, około 20 zostało wykrytych przez trzy różne detektory wokół Ziemi, w wyniku zapadnięcia się jądra gwiazdy 23 lutego o godzinie 7:35:35 UT.
SN 1987A była również pierwszą supernową, w przypadku której gwiazdę, która eksplodowała, można było zidentyfikować na podstawie zdjęć wykonanych przed wybuchem. Poza neutrinami, najbardziej interesującym wynikiem zapadnięcia się i eksplozji jest przewidywanie, że pozostała czarna dziura lub gwiazda neutronowa. Stanowi ona jedynie centralny rdzeń zapadniętej gwiazdy, o masie 1,5 razy większej niż masa Słońca. Reszta jest wyrzucana z prędkością do 10% prędkości światła, tworząc rozszerzającą się pozostałość, którą obserwujemy bezpośrednio dzisiaj.
„Długi”, 10-sekundowy czas trwania wybuchu neutrin wskazywał na powstanie gwiazdy neutronowej. Pomimo kilku interesujących wskazówek z obserwacji radiowych i rentgenowskich, do tej pory nie znaleziono rozstrzygających dowodów na istnienie zawartego obiektu, co stanowi główny nierozwiązany problem pozostałości SN 1987A.
Ważnym tego powodem może być duża masa cząstek pyłu, o których wiemy, że powstały w latach po wybuchu. Pył ten może blokować większość światła widzialnego z centrum, a tym samym ukrywać zwarty obiekt na widzialnych długościach fal.
Dwa scenariusze gwiazdy neutronowej
W swoim badaniu autorzy omawiają dwie główne możliwości: albo promieniowanie z gorącej, nowo narodzonej gwiazdy neutronowej o temperaturze milionów stopni, albo, alternatywnie, promieniowanie z cząstek energetycznych przyspieszanych w silnym polu magnetycznym z szybko wirującej gwiazdy neutronowej (pulsara). Jest to ten sam mechanizm, który działa w słynnej Mgławicy Kraba z pulsarem w centrum, która jest pozostałością po supernowej zaobserwowanej przez chińskich astronomów w 1054 roku.
Modele tych dwóch scenariuszy skutkują podobnymi przewidywaniami dla widma, które dobrze zgadza się z obserwacjami, ale są trudne do rozróżnienia. Dalsze obserwacje za pomocą JWST i naziemnych teleskopów w świetle widzialnym, a także Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, mogą być w stanie rozróżnić te modele.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Newly born neutron star detected in nearby supernova
- Emission lines due to ionizing radiation from a compact object in the remnant of Supernova 1987A
Źródło: UCL
Na ilustracji: Połączenie obrazu SN 1987A wykonanego przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a oraz zwartego źródła argonu. Źródło: Hubble Space Telescope WFPC-3/James Webb Space Telescope NIRSpec/J. Larsson
