NuSTAR próbuje rozwikłać zagadkę supernowej SN 2014C

„Jesteśmy zbudowani z pyłu gwiezdnego” mawiał Carl Sagan. Reakcje jądrowe, które zachodziły w gwiazdach dawno temu doprowadziły do powstania większości materii, z której składają się nasze ciała, nasza planeta i układ słoneczny. Gwiazdy kończące swój żywot w potężnych eksplozjach supernowych rozsiewają nowo powstałe pierwiastki w przestrzeni międzygwiezdnej.

Jedna z obserwowanych supernowych stanowi nie lada wyzwanie dla astronomicznych modeli tłumaczących rozsiewanie pierwiastków przez eksplodujące gwiazdy. Supernowa SN 2014C gwałtownie zmieniła swój wygląd w ciągu jednego roku – najprawdopodobniej dlatego, że pod koniec swojego życia odrzuciła znaczną część materii. To zupełnie nie pasuje do żadnego uznawanego scenariusza gwiezdnej eksplozji. Aby wytłumaczyć dane obserwacyjne naukowcy muszą zaktualizować naszą wiedzę o życiu masywnych gwiazd pod koniec ich ewolucji.

„Ta supernowa-kameleon może przedstawiać nowy mechanizm emisji pierwiastków powstałych we wnętrzach masywnych gwiazd w przestrzeń międzygwiezdną”, mówi Raffaella Margutti, profesor fizyki i astronomii z Northwestern University w Evanston, Illinois. Margutti prowadziła badania nad supernową SN 2014C – wyniki tych badań zostały opublikowane w tym tygodniu w periodyku Astrophysical Journal.

Tajemnica supernowych

Astronomowie klasyfikują eksplodujące gwiazdy w zależności od tego czy w wydarzeniu bierze udział wodór czy nie. Choć gwiazdy rozpoczynają swoje życie od fuzji wodoru w hel, duże gwiazdy bliskie śmierci już dawno zużyły znajdujący się w nich wodór. Supernowe z pomijalną ilością wodoru nazywane są  supernowymi typu I. Supernowe charakteryzujące się większą ilością wodoru – znacznie rzadsze – nazywane są supernowymi typu II.

Jednak SN 2014C, odkryta w 2014 roku w galaktyce spiralnej znajdującej się 36-46 milionów lat świetlnych od Ziemi, jest inna. Obserwując ją w zakresie widzialnym za pomocą różnych teleskopów naziemnych, astronomowie doszli do wniosku, że SN 2014C zmieniła się z SN typu I do typu II po tym jak jej jądro uległo kolapsowi – zjawisko opisane w 2015 roku przez zespół pracujący pod kierownictwem Dana Milisavlejevica z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics w Cambridge, Massachusetts. Wstępne obserwacje nie wykryły wodoru, jednak po około roku jasne było, że fale uderzeniowe propagujące od miejsca eksplozji uderzyły w otoczkę materii zdominowanej przez wodór.

W najnowszym badaniu, satelita NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) dzięki swej unikalnej zdolności obserwowania w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego – najbardziej energetycznych promieni rentgenowskich – umożliwił naukowcom obserwowanie zmian temperatury elektronów przyspieszanych przez falę uderzeniową eksplozji supernowej. Naukowcy wykorzystali te pomiary do oszacowana prędkości rozszerzania supernowej oraz ilości materii w zewnętrznej otoczce.

Powyższe zdjęcie wykonane przez Obserwatorium Rentgenowskie Chandra przedstawia galaktykę spiralną NGC 7331 (w centrum). Czerwony, zielony i niebieski kolor oznaczają promieniowanie rentgenowskie o niskiej, średniej i wysokiej energii. Nietypowa supernowa SN 2014C została dostrzeżona w tej galaktyce. Źródło: NASA/CXC/CIERA/R. Margutti et al.

Aby stworzyć taką otoczkę, SN 2014C zrobiła coś naprawdę tajemniczego: wyrzuciła bardzo dużo materii – głównie wodoru, choć także i cięższych pierwiastków – dekady a nawet stulecia przed eksplozją. W rzeczywistości, gwiazda odrzuciła w tym czasie masę równą masie całego Słońca. Zazwyczaj jednak gwiazdy nie wyrzucają tak dużo materii na tak późnych etapach swojego życia.

„Odrzucenie tej materii na tak późnym etapie ewolucji może być sposobem na emisję w przestrzeń międzygwiezdną pierwiastków wyprodukowanych przez gwiazdę w toku jej życia”, mówi Margutti, członek Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics na Northwestern University.

Obserwatoria Chandra i Swift wykorzystano do dokładniejszego zbadania ewolucji supernowej. Zbiór obserwacji wykazał, ku zaskoczeniu naukowców, że supernowa pojaśniała w zakresie rentgenowskim po początkowym stadium eksplozji, co oznacza, że wokół niej musiała znajdować się warstwa materii wcześniej odrzuconej przez gwiazdę, w którą po jakimś czasie uderzyła fala uderzeniowa eksplozji.

Wyzwanie dla istniejących teorii

Dlaczego gwiazda miałaby odrzucić tak dużo wodoru tuż przed eksplozją? Jedna z teorii mówi, że nasza wiedza o reakcjach jądrowych zachodzących w centrach masywnych gwiazd jest niepełna. Inna możliwość dopuszcza sytuację, w której gwiazda nie skończyła swojego życia w samotności – gwiezdny towarzysz w układzie podwójnym mógłby mieć wpływ na życie i nietypową śmierć gwiazdy, która eksplodowała jako SN 2014C. Ta druga teoria pasuje do obserwacji, które mówią, że 7 na 10 masywnych gwiazd posiada gwiezdnych towarzyszy.

Badania wskazują, że astronomowie powinni szczególną uwagę poświęcić życiu masywnych gwiazd znajdujących się pod koniec swojego życia. Badacze planują kontynuować obserwacje tej zaskakującej supernowej.

„Idea, że ta gwiazda mogła odrzucić tak dużą ilość materii w bardzo krótkim okresie czasu jeszcze przed wybuchem, jest czymś całkowicie nowym”,  mówi Fiona Harrison, główny badacz misji NuSTAR z Caltech w Pasadenie. „Obserwacje tej supernowej podważają nasze fundamentalne teorie dotyczące ewolucji i eksplozji masywnych gwiazd.”

Źródło: JPL