Naukowcy odkryli nowy typ supernowej, w której zamiast wodoru i helu dominują krzem, siarka i argon. To pierwszy bezpośredni dowód na warstwową budowę masywnych olbrzymów.
 |
| SN 2021yfj to nowy rodzaj supernowej, podważający naszą wiedzę o ewolucji gwiazd. Jej protoplasta utracił zewnętrzne powłoki na długo przed wybuchem supernowej i składał się jedynie z jądra tlenowo-krzemowego – w przeciwieństwie do jakiejkolwiek znanej gwiazdy w Drodze Mlecznej. Umierająca, ogołocona do cna gwiazda doświadczyła epizodów ekstremalnej utraty masy, które doprowadziły do wyrzucenia materii bogatej w krzem (szary), siarkę (żółty) i argon (fioletowy). Źródło: W.M. Keck Observatory/Adam Makarenko |
Międzynarodowy zespół naukowców pod przewodnictwem astrofizyków z Uniwersytetu Northwestern odkrył nigdy wcześniej niewidziany typ eksplodującej gwiazdy, czyli supernową, która jest bogata w krzem, siarkę i argon.
Kiedy eksplodują masywne gwiazdy, astrofizycy zazwyczaj znajdują silne ślady lekkich pierwiastków, takich jak wodór i hel. Jednak nowo odkryta supernowa, nazwana SN2021yfj, wykazała zaskakująco odmienną sygnaturę chemiczną.
Astronomowie od dawna teoretyzują, że masywne gwiazdy mają strukturę warstwową, podobną do cebuli. Najbardziej zewnętrzne warstwy składają się głównie z najlżejszych pierwiastków. W miarę jak warstwy przesuwają się do wewnątrz, pierwiastki stają się coraz cięższe, aż dotrą do najgłębszego żelaznego jądra.
Obserwacje SN2021yfj sugerują, że masywna gwiazda w jakiś sposób utraciła swoje zewnętrzne warstwy wodoru, helu i węgla – odsłaniając wewnętrzne warstwy bogate w krzem i siarkę – przed eksplozją. Odkrycie to dostarcza bezpośredniego dowodu na istnienie od dawna teoretyzowanej wewnętrznej, warstwowej struktury gwiezdnych olbrzymów i zapewnia bezprecedensowy wgląd w głębokie wnętrze masywnej gwiazdy – na chwilę przed jej eksplozją. Wyniki badań zostały opublikowane 20 sierpnia 2025 roku w czasopiśmie Nature.
To pierwszy raz, kiedy widzimy gwiazdę, która została praktycznie obdarta do cna – powiedział Steven Schulze z Northwestern, który kierował badaniami. Pokazuje nam to, jak zbudowane są gwiazdy i dowodzi, że gwiazdy mogą stracić mnóstwo materii, zanim eksplodują. Mogą nie tylko stracić swoje najbardziej zewnętrzne warstwy, ale także zostać całkowicie pozbawione swojej powłoki, a mimo to wywołać olśniewającą eksplozję, którą możemy obserwować z bardzo dużej odległości.
To wydarzenie dosłownie nie przypomina niczego, czego kiedykolwiek ktoś widział – dodał Adam Miller z Uniwersytetu Northwestern, główny autor pracy. Było to tak dziwne, że myśleliśmy, że być może nie zaobserwowaliśmy właściwego obiektu. Ta gwiazda mówi nam, że nasze koncepcje i teorie dotyczące ewolucji gwiazd są zbyt wąskie. Nie chodzi o to, że nasze podręczniki są niepoprawne, ale najwyraźniej nie oddają w pełni wszystkiego, co dzieje się w naturze. Muszą istnieć bardziej egzotyczne sposoby zakończenia życia masywnej gwiazdy, których nie braliśmy pod uwagę.
Schulze, ekspert w dziedzinie najbardziej ekstremalnych obiektów przejściowych w astronomii, jest pracownikiem naukowym w Centrum Interdyscyplinarnych Eksploracji i Badań Astrofizycznych (CIERA) na Uniwersytecie Northwestern. Miller jest adiunktem fizyki i astronomii w Weinberg College of Arts and Sciences na Uniwersytecie Northwestern oraz wiodącym członkiem CIERA i NSF-Simons AI Institute for the Sky.
Gorąca, paląca cebula
Masywne gwiazdy, które są od 10 do 100 razy masywniejsze od Słońca, są napędzane syntezą jądrową. W tym procesie, intensywne ciśnienie i ekstremalne ciepło w jądrze gwiazdy powodują łączenie się lżejszych pierwiastków, tworząc cięższe. Wraz ze wzrostem temperatury i gęstości w jądrze, rozpoczyna się spalanie w zewnętrznych warstwach gwiazdy. W miarę ewolucji gwiazdy w jądrze spalane są coraz cięższe pierwiastki, podczas gdy lżejsze pierwiastki spalane są w warstwach otaczających jądro. Proces ten trwa, prowadząc ostatecznie do powstania jądra żelaznego. Zapadnięcie się żelaznego jądra powoduje wybuch supernowej lub powstanie czarnej dziury.
Chociaż masywne gwiazdy zazwyczaj zrzucają warstwy przed eksplozją, SN2021yfj wyrzuciła znacznie więcej materii, niż naukowcy kiedykolwiek wcześniej zaobserwowali. Inne obserwacje obdartych gwiazd ujawniły warstwy helu, węgla i tlenu – odsłonięte po utracie zewnętrznej otoczki wodorowej. Jednak astrofizycy nigdy nie dostrzegli niczego głębszego – co sugeruje, że musi tu chodzić o coś niezwykle gwałtownego i wyjątkowego.
W pogoni za kosmiczną osobliwością
Schulze i jego zespół odkryli SN2021yfj we wrześniu 2021 roku, korzystając z dostępu Northwestern do Zwicky Transient Facility (ZTF). ZTF, położony na wschód od San Diego, wykorzystuje kamerę szerokokątną do skanowania całego widocznego nocnego nieba. Od momentu uruchomienia, ZTF stał się głównym na świecie narzędziem do odkrywania zjawisk przejściowych – ulotnych zjawisk, takich jak supernowe, które nagle rozbłyskują, a następnie szybko gasną.
Po przeanalizowaniu danych ZTF Schulze dostrzegł niezwykle jasny obiekt w regionie gwiazdotwórczym oddalonym od Ziemi o 2,2 miliarda lat świetlnych.
Aby uzyskać więcej informacji o tajemniczym obiekcie, zespół chciał uzyskać jego widmo, które rozkłada rozproszone światło na kolory składowe. Każdy kolor reprezentuje inny pierwiastek. Zatem, analizując widmo supernowej, naukowcy mogą odkryć, które pierwiastki są obecne w eksplozji.
Chociaż Schulze natychmiast przystąpił do działania, ich poszukiwania widma spełzły na niczym. Teleskopy na całym świecie były niedostępne lub nie mogły przebić się przez chmury, aby uzyskać wyraźny obraz. Na szczęście zespół otrzymał niespodziankę od kolegi astronoma, który zebrał widmo za pomocą instrumentów w Obserwatorium W.M. Kecka na Hawajach.
Myśleliśmy, że całkowicie straciliśmy szansę na uzyskanie tych obserwacji – powiedział Miller. Poszliśmy więc spać rozczarowani. Ale następnego ranka kolega z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley niespodziewanie udostępnił widmo. Bez tego widma moglibyśmy nigdy nie zdać sobie sprawy, że to była dziwna i nietypowa eksplozja.
Widzieliśmy interesującą eksplozję, ale nie mieliśmy pojęcia, co to było – powiedział Schulze o SN2021yfj. Niemal natychmiast zdaliśmy sobie sprawę, że to coś, czego nigdy wcześniej nie widzieliśmy, więc musieliśmy to zbadać, wykorzystując wszystkie dostępne zasoby.
Musiał się wydarzyć coś bardzo gwałtownego
Zamiast typowych helu, węgla, azotu i tlenu – występujących w innych obdartych supernowych – w widmie dominowały silne sygnatury krzemu, siarki i argonu. Fuzja jądrowa wytwarza te cięższe pierwiastki w głębokim wnętrzu masywnej gwiazdy w jej końcowych etapach życia.
Ta gwiazda straciła większość materii, którą wytworzyła w ciągu swojego istnienia – powiedział Schulze. Mogliśmy więc zobaczyć materię powstałą w miesiącach bezpośrednio poprzedzających jej eksplozję. Musiało się wydarzyć coś bardzo gwałtownego, aby do tego doszło.
Chociaż dokładna przyczyna tego zjawiska pozostaje kwestią otwartą, Schulze i Miller sugerują, że w grę wchodził rzadki i potężny proces. Badają oni wiele scenariuszy, w tym interakcje z potencjalną gwiazdą towarzyszącą, potężną erupcję przed supernową, a nawet niezwykle silne wiatry gwiazdowe.
Zespół zakłada, że najprawdopodobniej ta tajemnicza supernowa jest wynikiem dosłownego rozerwania masywnej gwiazdy. W miarę jak jądro gwiazdy ściska się pod wpływem własnej grawitacji, staje się ono jeszcze gorętsze i gęstsze. Ekstremalne ciepło i gęstość ponownie rozpalają syntezę jądrową z tak niewiarygodną intensywnością, że powodują potężny wybuch energii, który odpycha zewnętrzne warstwy gwiazdy. Za każdym razem, gdy gwiazda przechodzi przez kolejny epizod wynikający z niestabilności par, odpowiadający mu impuls uwalnia więcej materii.
Jedna z ostatnich wyrzuconych powłok zderzyła się z wcześniej istniejącą powłoką, co spowodowało powstanie jasnej emisji, którą zaobserwowaliśmy jako SN2021yfj – powiedział Schulze.
Chociaż mamy teorię na temat tego, jak natura doprowadziła do tej konkretnej eksplozji, nie założyłbym się o życie, że jest ona poprawna, ponieważ wciąż mamy tylko jeden odkryty przykład. Ta gwiazda naprawdę podkreśla potrzebę odkrywania większej liczby tych rzadkich supernowych, aby lepiej zrozumieć ich naturę i sposób powstawania – powiedział Miller.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Czytaj też:
