Hälften av allt kalcium i universum – inklusive själva kalciumet i våra tänder och ben – skapades i den sista flämten av döende stjärnor.

Kallas "kalciumrika supernovor, " dessa stjärnexplosioner är så sällsynta att astrofysiker har kämpat för att hitta och sedan studera dem. Naturen hos dessa supernovor och deras mekanism för att skapa kalcium, därför, har förblivit svårfångade.

Nu har ett team som leds av Northwestern University potentiellt avslöjat den sanna naturen hos dessa sällsynta, mystiska händelser. För första gången någonsin, forskarna undersökte en kalciumrik supernova med röntgenbilder, som gav en aldrig tidigare skådad inblick i stjärnan under den sista månaden av dess liv och ultimata explosion.

De nya fynden avslöjade att en kalciumrik supernova är en kompakt stjärna som avger ett yttre lager av gas under de sista stadierna av sitt liv. När stjärnan exploderar, dess materia kolliderar med det lösa materialet i det yttre skalet, avger ljusa röntgenstrålar. Den totala explosionen orsakar intensivt heta temperaturer och högt tryck, driver en kemisk reaktion som producerar kalcium.

"Dessa händelser är så få till antalet att vi aldrig har vetat vad som producerade kalciumrik supernova, " sa Wynn Jacobson-Galan, en förstaårsstudent i Northwestern som ledde studien. "Genom att observera vad den här stjärnan gjorde under sin sista månad innan den nådde sitt kritiska, tumultartat slut, vi kikade in på en plats som tidigare outforskad, öppnar nya vägar för studier inom övergående vetenskap."

"Innan denna händelse, vi hade indirekt information om vad kalciumrika supernovor kan vara eller inte, " sa Northwesterns Raffaella Margutti, en senior författare av studien. "Nu, vi kan med säkerhet utesluta flera möjligheter."

Forskningen kommer att publiceras den 5 augusti kl The Astrophysical Journal . Nästan 70 medförfattare från mer än 15 länder bidrog till tidningen.

Margutti är biträdande professor i fysik och astronomi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences och medlem av CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics). Jacobson-Galan är en NSF Graduate Research Fellow i Marguttis forskargrupp för transienter.

"Ett globalt samarbete tändes"

Amatörastronomen Joel Shepherd såg först den ljusa explosionen, dubbad SN2019ehk, medan du tittar på stjärnan i Seattle. Den 28 april, 2019, Shepherd använde sitt nya teleskop för att se Messier 100 (M100), en spiralgalax som ligger 55 miljoner ljusår från jorden. Nästa dag, en ljus orange prick dök upp i ramen. Shepherd rapporterade anomalien till en astronomisk undersökning av samhället.

"Så snart världen visste att det fanns en potentiell supernova i M100, ett globalt samarbete tändes, ", sa Jacobson-Galan. "Varje enskilt land med ett framstående teleskop vände sig om för att titta på det här föremålet."

Detta inkluderade ledande observatorier i USA som NASA:s Swift Satellite, W.M. Keck Observatory på Hawaii och Lick Observatory i Kalifornien. Northwestern-laget, som har fjärråtkomst till Keck, var ett av de många team världen över som triggade sina teleskop för att undersöka SN2019ehk i optiska våglängder. University of California Santa Barbara doktorand Daichi Hiramatsu var den första som fick Swift att studera SN2019ehk i röntgen och ultraviolett. Hiramatsu är också en stabsforskare vid Las Cumbres Observatory, som spelade en avgörande roll för att övervaka den långsiktiga utvecklingen av denna supernova med dess globala teleskopnätverk.

Den världsomspännande uppföljningsoperationen gick så snabbt att supernovan observerades bara 10 timmar efter explosionen. Röntgenstrålningen som upptäcktes med Swift höll sig bara kvar i fem dagar och försvann sedan helt.

"I en värld av transienter, vi måste upptäcka saker mycket, mycket snabbt innan de bleknar, " sa Margutti. "Inledningsvis, ingen letade efter röntgen. Daichi lade märke till något och gjorde oss uppmärksamma på det konstiga utseendet på vad som såg ut som röntgenstrålar. Vi tittade på bilderna och insåg att något var där. Det var mycket mer lysande än någon någonsin skulle ha trott. Det fanns inga tidigare teorier som förutspådde kalciumrika transienter skulle vara så lysande i röntgenvåglängder."

"Den rikaste av de rika"

Medan allt kalcium kommer från stjärnor, kalciumrika supernovor ger den mest kraftfulla kraften. Typiska stjärnor skapar små mängder kalcium långsamt genom att bränna helium under hela livet. Kalciumrika supernovor, å andra sidan, producera enorma mängder kalcium inom några sekunder.

"Explosionen försöker svalna, ", förklarade Margutti. "Den vill ge bort sin energi, och kalciumutsläpp är ett effektivt sätt att göra det."

Använder Keck, Northwestern-teamet upptäckte att SN 2019ehk släppte ut det mest kalcium som någonsin observerats i en enastående astrofysisk händelse.

"Det var inte bara kalciumrikt, sa Margutti. Det var den rikaste av de rika.

Att avslöja nya ledtrådar

SN2019ehks korta ljusstyrka berättade en annan historia om dess natur. Northwestern-forskarna tror att stjärnan fällde ett yttre lager av gas under sina sista dagar. När stjärnan exploderade, dess material kolliderade med detta yttre skikt för att producera en ljus, energetisk utbrott av röntgenstrålar.

"Ljusstyrkan talar om för oss hur mycket material stjärnan fällde och hur nära det materialet var stjärnan, " sa Jacobson-Galan. "I det här fallet, stjärnan förlorade en mycket liten mängd material precis innan den exploderade. Det materialet var fortfarande i närheten."

Även om rymdteleskopet Hubble hade observerat M100 under de senaste 25 åren, den kraftfulla enheten registrerade aldrig stjärnan – som var under sin slutliga utveckling – ansvarig för SN2019ehk. Forskarna använde Hubble-bilderna för att undersöka supernovaplatsen innan explosionen inträffade och säger att detta är ännu en ledtråd till stjärnans sanna natur.

"Det var sannolikt en vit dvärg eller mycket låg massa stjärna, "Sa Jacobson-Galan. "Båda dessa skulle vara mycket svaga."

"Utan denna explosion, du skulle inte veta att något någonsin fanns där, tillade Margutti. "Inte ens Hubble kunde se det."