En överlöpare stjärna som exploderar i en avlägsen galax har tvingat astronomer att lägga åt sidan decennier av forskning och fokusera på en ny ras av supernova som fullständigt kan förinta sin moderstjärna – utan att lämna några kvarlevor bakom sig. Signaturhändelsen, något astronomer aldrig hade sett förut, kan representera det sätt på vilket de mest massiva stjärnorna i universum, inklusive de första stjärnorna, dö.

Europeiska rymdorganisationens (ESA) Gaia-satellit märkte först supernovan, känd som SN 2016iet, den 14 november, 2016. Tre år av intensiva uppföljningsobservationer med en mängd olika teleskop, inklusive Gemini North-teleskopet och dess Multi-Object Spectrograph på Maunakea i Hawaiʻi, gav avgörande perspektiv på objektets avstånd och sammansättning.

"Gemini-data gav en djupare titt på supernovan än någon av våra andra observationer, " sa Edo Berger från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics och en medlem av undersökningens team. "Detta gjorde det möjligt för oss att studera SN 2016iet mer än 800 dagar efter upptäckten, när den hade dämpats till en hundradel av sin högsta ljusstyrka."

Chris Davis, programchef på National Science Foundation (NSF), en av Geminis sponsringsbyråer, Lagt till, "Dessa anmärkningsvärda Tvillingobservationer visar vikten av att studera det ständigt föränderliga universum. Att söka på himlen efter plötsliga explosiva händelser, snabbt observera dem och, lika viktigt, att kunna övervaka dem över dagar, Veckor, månader, och ibland är till och med år avgörande för att få hela bilden. På bara några år, NSF:s Large Synoptic Survey Telescope kommer att avslöja tusentals av dessa händelser, och Gemini är väl positionerat för att göra det avgörande uppföljningsarbetet."

I detta fall, denna djupa blick avslöjade endast svaga väteutsläpp vid platsen för supernovan, bevis på att stamfadersstjärnan till SN 2016iet levde i en isolerad region med mycket lite stjärnbildning. Detta är en ovanlig miljö för en så massiv stjärna. "Trots att man i decennier letat efter tusentals supernovor, "Berger återupptog, "den här ser annorlunda ut än allt vi någonsin sett förut. Ibland ser vi supernovor som är ovanliga i ett avseende, men annars är normala; den här är unik på alla möjliga sätt."

SN 2016iet har en mängd konstigheter, inklusive dess otroligt långa varaktighet, stor energi, ovanliga kemiska fingeravtryck, och miljön fattig på tyngre grundämnen - för vilka det inte finns några uppenbara analoger i den astronomiska litteraturen.

"När vi först insåg hur ovanligt SN 2016iet är, min reaktion var 'Whow—har något gått hemskt fel med vår data?'" sa Sebastian Gomez, även av Centrum för Astrofysik och huvudförfattare till utredningen. Forskningen publiceras i numret 15 augusti av The Astrophysical Journal .

Den ovanliga karaktären hos SN 2016iet, som avslöjats av Gemini och andra data, tyder på att den började sitt liv som en stjärna med ungefär 200 gånger vår sols massa – vilket gör den till en av de mest massiva och kraftfulla explosioner av en stjärna som någonsin observerats. Allt fler bevis tyder på att de första stjärnorna som föddes i universum kan ha varit lika massiva. Astronomer förutspådde att om sådana behemoths behåller sin massa under hela sitt korta liv (några miljoner år), de kommer att dö som parinstabila supernovor, som har fått sitt namn från materia-antimateria-par som bildades i explosionen.

De flesta massiva stjärnor slutar sina liv i en explosiv händelse som spyr ut materia rik på tungmetaller ut i rymden, medan deras kärna kollapsar till en neutronstjärna eller ett svart hål. Men supernovor med parinstabilitet är en annan ras. Den kollapsande kärnan producerar riklig gammastrålning, leder till en skenande produktion av partikel- och antipartikelpar som så småningom utlöser en katastrofal termonukleär explosion som förintar hela stjärnan, inklusive kärnan.

Modeller av parinstabilitetssupernovor förutspår att de kommer att inträffa i miljöer som är fattiga på metaller (astronomens term för grundämnen tyngre än väte och helium), som dvärggalaxer och det tidiga universum – och teamets undersökning fann just det. Händelsen inträffade på ett avstånd av en miljard ljusår i en tidigare okatalogiserad dvärggalax fattig på metaller. "Detta är den första supernovan där massan och metallinnehållet i den exploderande stjärnan ligger inom det intervall som förutsägs av teoretiska modeller, " sa Gomez.

En annan överraskande funktion är SN 2016iets skarpa läge. De flesta massiva stjärnorna föds i täta stjärnhopar, men SN 2016iet bildades isolerat cirka 54, 000 ljusår bort från centrum av dess dvärgvärdgalax.

"Hur en så massiv stjärna kan bildas i fullständig isolering är fortfarande ett mysterium, " sa Gomez. "I vårt lokala kosmiska kvarter, vi känner bara till ett fåtal stjärnor som närmar sig massan av stjärnan som exploderade i SN 2016iet, men alla dessa lever i massiva hopar med tusentals andra stjärnor." För att förklara händelsens långa varaktighet och långsamma ljusstyrkautveckling, teamet främjar idén att stamstjärnan kastade ut materia i sin omgivande miljö med en hastighet av ungefär tre gånger solens massa per år under ett decennium innan stjärnan blåste sig själv i glömska. När stjärnan till slut exploderade, supernovaskräpet kolliderade med detta material som drev SN 2016iets utsläpp.

"De flesta supernovor bleknar bort och blir osynliga mot bländningen från deras värdgalaxer inom några månader. Men eftersom SN 2016iet är så ljust och så isolerat kan vi studera dess utveckling i många år framöver, ", sa Gomez. "Idén om parinstabilitetssupernovor har funnits i decennier, ", sa Berger. "Men äntligen har vi det första observationsexemplet som sätter en döende stjärna i rätt massregim, med rätt beteende, och i en metallfattig dvärggalax är ett otroligt steg framåt."

Inte så länge sedan, det var inte känt om sådana supermassiva stjärnor faktiskt kunde existera. Upptäckten och uppföljningsobservationerna av SN 2016iet har gett tydliga bevis för deras existens och potential för att påverka utvecklingen av det tidiga universum. "Tvillingarnas roll i denna fantastiska upptäckt är betydande, sa Gomez, "eftersom det hjälper oss att bättre förstå hur det tidiga universum utvecklades efter sin "mörka tidsålder" - när ingen stjärnbildning inträffade - för att bilda den prakt av universum vi ser idag."