Kepler: Poszukiwanie eksplodujących gwiazd

Astronom Ed Shaya siedział w swoim biurze przeglądając dane zebrane za pomocą kosmicznego teleskopu Kepler w 2012 roku, kiedy dostrzegł w nich coś nietypowego: wzrost blasku galaktyki o całe 10 procent. Gwałtowny skok jasności podekscytował, ale i zaniepokoił badacza. Zaobserwowany przez niego efekt, można było wytłumaczyć masywną eksplozją gwiazdy – supernową! – albo błędem komputera.

“Pamiętam jak tego dnia nie byłem pewien czy powinienem uwierzyć w ten skok jasności czy nie” wspomina. Zamiast świętować, pomyślał “Czy aby nie popełniłem jakiegoś błędu? Czy coś robię nie tak?”

Animacja przedstawia eksplozję gwiazdy zwaną FELT (Fast-Evolving Luminous Transient). W tym przypadku olbrzymia gwiazda odrzuca warstwę gazu i pyłu na rok przed eksplozją. Większość energii supernowej zamienia się w światło gdy uderza ona we wcześniej odrzuconą otoczkę.

W gwiezdnych eksplozjach powstają i rozprzestrzeniają się pierwiastki, z których składa się świat, na którym żyjemy. Poznając supernowe, naukowcy odkrywają tajemnice, które są niezbędne dla naszej wiedzy o naszym własnym pochodzeniu oraz o ostatecznym losie wszechświata. Jednak aby stworzyć pełen obraz, naukowcy muszą obserwować supernowe z różnych perspektyw, szczególnie pierwsze momenty eksplozji. To naprawdę trudne – jak na razie nie mamy żadnego sposobu przewidywania kiedy dokładnie dojdzie do kolejnej eksplozji.

Niewielka grupa astronomów uświadomiła sobie, że Kepler także może pomóc w poszukiwaniu kolejnych supernowych. Wystrzelony w przestrzeń kosmiczną w 2009 roku, kosmiczny teleskop Kepler znany jest przede wszystkim ze skutecznego odkrywania tysięcy planet pozasłonecznych. Jednak gdy teleskop wpatruje się w pojedyncze wycinki nieba przez dłuższy czas, może także obserwować wiele innych obiektów kosmicznych – szczególnie tych, które gwałtownie zmieniają się lub pojawiają i znikają na niebie… jak na przykład supernowe.

“Kepler stanowi nowy sposób obserwowania nieba” mówi Jessie Dotson, naukowiec projektu Keplera z NASA Ames Research Center w Dolinie Krzemowej. “Został zaprojektowany do jednego konkretnego zadania: do poszukiwania planet krążących wokół innych gwiazd. Aby to zrobić, teleskop musiał dostarczać bardzo precyzyjne, ciągłe dane obserwacyjne, które są niezwykle cenne także dla innych dziedzin astronomii”.

Pierwotnie Shaya i jego współpracownicy poszukiwali aktywnych jąder galaktycznych (AGN) w danych z Keplera. Aktywne jądro galaktyczne to wyjątkowo jasny obszar w centrum galaktyki, w którym znajduje się żarłoczna czarna dziura otoczona przez dysk gorącego gazu. Chcieli także poszukiwać supernowych, ale z uwagi na fakt, że supernowe są tak rzadkie, nie wspominali o tym w swoim projekcie.

Niepewny czy sygnał supernowej, który odkrył, jest prawdziwy, Shaya wraz z Robertem Ollingiem z Uniwersytetu w Maryland spędził kilka miesięcy opracowując oprogramowanie do lepszego kalibrowania danych z Kpelera, uwzględniając w nim zmiany temperatury i kierunku, w którym obserwował instrument. Mimo to sygnał od supernowej nie znikał. Co więcej, badacze odkryli pięć nowych supernowych w tej samej próbce danych z Keplera, obejmujących ponad 400 galaktyk. Gdy Olling pokazał jeden z tych sygnałów Arminowi Rest, który jest teraz astronomem w STScI w Baltimore, szczęka Resta opadła do samej ziemi. Naukowcy odkryli nowy sposób śledzenia eksplozji gwiezdnych.

Dzisiaj ci astronomowie stanowią część zespołu Kepler Extra-Galactic Survey, w skład którego wchodzą naukowcy z USA, Australii i Chile poszukujący supernowych i aktywnych jąder galaktycznych. Jak dotąd udało im się odkryć ponad 20 supernowych w danych z Keplera, włącznie z egzotycznym typem, o którym donosi Rest w najnowszym artykule naukowym opublikowanym w periodyku Nature Astronomy.

Dlaczego tak interesują nas supernowe?

Odwieczną zagadką astrofizyki jest kwestia tego jak i dlaczego gwiazdy eksplodują na różne sposoby.  Jeden z typów supernowych ma miejsce gdy eksploduje gęsta, nieaktywna pozostałość po gwieździe zwana białym karłem. Inny typ opisuje eksplozję pojedynczej masywne gwiazdy pod koniec jej życia, kiedy jej jądro nie jest w stanie  przeciwstawić się sile grawitacji działającej na nie. Szczegóły tych ogólnych kategorii wciąż są opracowywane.

Pierwszy z tych dwóch typów, tak zwany typ Ia jest szczególny, bowiem jego jasność jest zawsze taka sama. Astronomowie wykorzystują tą własność do mierzenia ekspansji Wszechświata i odkryli, że bardziej odległe supernowe są mniej jasne niż oczekiwali.  To wskazuje, że znajdują się one dalej niż astronomowie wcześniej uważali. Odkrycie to dowiodło, ze wszechświat rozszerza się coraz szybciej, za co badacze otrzymali Nagrodę Nobla w 2011 roku.

Jednak odkrywając coraz to nowe eksplozje typu Ia, astronomowie odkryli, że nie wszystkie są takie same. Choć do niektórych z tych supernowych dochodzi w momencie gdy biały karzeł pożera zbyt dużo materii ze swojego gwiezdnego towarzysza, to niektóre są efektem zderzenia dwóch białych karłów. Co ciekawe, ten drugi przypadek może być w rzeczywistości bardziej powszechny. Dalsze badanie supernowych za pomocą Keplera pomoże astronomom odkryć różne typy mechanizmów stojących za eksplozjami typu Ia, a które powodują ich zmienną jasność.

Kolejny typ supernowych, za które odpowiada kolaps masywnej gwiazdy pod koniec jej życia to tak zwane supernowe typu II. Te supernowe wyróżnia tak zwany shock breakout, który po raz pierwszy zaobserwowano w zakresie optycznym właśnie za pomocą Keplera. Zespół badaczy Kepler Extra-Galactic Survey, kierowany przez Petera Garnavicha, profesora fizyki z Uniwersytetu w Notre Dame w Indianie, dostrzegł shock breakout w danych z Keplera z 2011 roku dotyczących supernowej KSN 2011d, eksplozji gwiazdy około 500 razy większej od Słońca.  Co ciekawe, badacze nie odkryli tego zjawiska w mniejszej supernowej typu II zwanej KSN 2011a (eksplozja gwiazdy 300 razy większej od Słońca). Zamiast tego naukowcy odkryli, że supernowa skrywa się za warstwą pyłu, co dowodzi, że także wśród supernowych typu II występuje pewna różnorodność.

Dane z Keplera pozwoliły także odkryć inne informacje o supernowych. Najnowszy artykuł opublikowany przez Resta w Nature Astronomy opisuje supernową odkrytą w danych z wydłużonej misji Keplera – K2, która osiągnęła maksimum swojej jasności w nieco ponad dwa dni, czyli 10 razy mniej niż inne gwiazdy. To najbardziej ekstremalny przykład szybko ewoluującej jasnej supernowej (FELT).  Supernowe tego typu są równie jasne co supernowe typu Ia, , ale ich jasność rośnie krócej niż 10 dni i spada krócej niż 30. Możliwe, że gwiazda ta odrzuciła gęstą otoczkę gazu na około rok przed eksplozją i gdy doszło do samej eksplozji, odrzucona w niej materia uderzyła oddalającą się od gwiazdy otoczkę. Energia uwolniona w tym zderzeniu może odpowiadać za tak szybki wzrost jasności.

Źródło: NASA