Ett världsomspännande team ledd av UC Santa Barbara-forskare vid Las Cumbres-observatoriet har upptäckt de första övertygande bevisen för en ny typ av stjärnexplosion - en elektronfångande supernova. Även om de har teoretiserats i 40 år, verkliga exempel har varit svårfångade. De tros uppstå från explosioner av massiva superasymptotiska jättegren (SAGB) stjärnor, vilket det också har funnits knappa bevis för. Upptäckten, publiceras i Natur astronomi , kastar också nytt ljus över det tusenåriga mysteriet med supernovan från 1054 e.Kr. som var synlig över hela världen på dagtid, innan det så småningom blev krabbanebulosan.

Historiskt sett, supernovor har fallit in i två huvudtyper:termonukleär och järnkärnkollaps. En termonukleär supernova är explosionen av en vit dvärgstjärna efter att den fått materia i ett binärt stjärnsystem. Dessa vita dvärgar är de täta kärnorna av aska som finns kvar efter att en stjärna med låg massa (en upp till cirka 8 gånger solens massa) når slutet av sitt liv. En järnkärna-kollaps supernova uppstår när en massiv stjärna - en mer än cirka 10 gånger solens massa - får slut på kärnbränsle och dess järnkärna kollapsar, skapa ett svart hål eller neutronstjärna. Mellan dessa två huvudtyper av supernovor finns elektronfångande supernovor. Dessa stjärnor stoppar fusion när deras kärnor är gjorda av syre, neon och magnesium; de är inte tillräckligt stora för att skapa järn.

Medan gravitationen alltid försöker krossa en stjärna, det som hindrar de flesta stjärnor från att kollapsa är antingen pågående fusion eller, i kärnor där fusionen har upphört, det faktum att man inte kan packa atomerna tätare. I en elektroninfångande supernova, några av elektronerna i syre-neon-magnesiumkärnan krossas i sina atomkärnor i en process som kallas elektroninfångning. Detta avlägsnande av elektroner gör att stjärnans kärna bucklas av sin egen vikt och kollapsar, vilket resulterar i en elektroninfångande supernova.

Om stjärnan hade varit något tyngre, kärnelementen kunde ha smält ihop för att skapa tyngre element, förlänger dess liv. Så det är en sorts omvänd Goldilocks-situation:stjärnan är inte tillräckligt ljus för att undkomma att dess kärna kollapsar, Det är inte heller tillräckligt tungt för att förlänga sitt liv och dö senare på andra sätt.

Det är teorin som formulerades med början 1980 av Ken'ichi Nomoto vid University of Tokyo och andra. Under decennierna, teoretiker har formulerat förutsägelser om vad man ska leta efter i en elektroninfångande supernova och deras SAGB-stjärnföräldrar. Stjärnorna ska ha mycket massa, förlora mycket av det innan det exploderar, och denna massa nära den döende stjärnan bör ha en ovanlig kemisk sammansättning. Då borde elektroninfångningssupernovan vara svag, har lite radioaktivt nedfall, och har neutronrika grundämnen i kärnan.

Den nya studien leds av Daichi Hiramatsu, en doktorand vid UC Santa Barbara och Las Cumbres Observatory (LCO). Hiramatsu är en kärnmedlem i Global Supernova Project, ett världsomspännande team av forskare som använder dussintals teleskop runt och ovanför jordklotet. Teamet fann att supernovan SN 2018zd hade många ovanliga egenskaper, varav några sågs för första gången i en supernova.

Det hjälpte att supernovan var relativt nära – bara 31 miljoner ljusår bort – i galaxen NGC 2146. Detta gjorde det möjligt för teamet att undersöka arkivbilder tagna av rymdteleskopet Hubble före explosionen och att upptäcka den troliga stamstjärnan före den. exploderad. Observationerna överensstämde med en annan nyligen identifierad SAGB-stjärna i Vintergatan, men inkonsekvent med modeller av röda superjättar, stamfader till normala supernovor med kollaps av järnkärna.

Författarna tittade igenom alla publicerade data om supernovor, och fann att medan vissa hade några av de indikatorer som förutspåddes för elektroninfångande supernovor, endast SN 2018zd hade alla sex:en skenbar SAGB-förälder, stark massförlust före supernova, en ovanlig stellar kemisk sammansättning, en svag explosion, lite radioaktivitet och en neutronrik kärna.

"Vi började med att fråga 'vad är den här konstigheten?'" sa Hiramatsu. "Sedan undersökte vi varje aspekt av SN 2018zd och insåg att alla kan förklaras i elektroninfångningsscenariot."

De nya upptäckterna belyser också några mysterier från det förflutnas mest kända supernova. År 1054 hände en supernova i Vintergatan som, enligt kinesiska och japanska register, var så ljus att den kunde ses på dagtid i 23 dagar, och på natten i nästan två år. Den resulterande kvarlevan, krabbanebulosan, har studerats i detalj.

Krabbnebulosan var tidigare den bästa kandidaten för en elektroninfångande supernova, men dess status var osäker delvis på grund av att explosionen inträffade för nästan tusen år sedan. Det nya resultatet ökar förtroendet för att den historiska SN 1054 var en elektroninfångad supernova. Det förklarar också varför den supernovan var relativt ljusstark jämfört med modellerna:Dess ljusstyrka förstärktes förmodligen på konstgjord väg av att supernovautkastet kolliderade med material som släppts av stamstjärnan, vilket sågs i SN 2018zd.

Ken Nomoto vid Kavli IPMU vid University of Tokyo uttryckte sin spänning över att hans teori hade bekräftats. "Jag är mycket glad att elektroninfångningssupernovan äntligen upptäcktes, som jag och mina kollegor förutspådde skulle existera och ha en koppling till krabbnebulosan för 40 år sedan, " sade han. "Jag uppskattar mycket de stora ansträngningarna som är involverade i att få dessa observationer. Det här är ett underbart fall av kombinationen av observationer och teori."

Hiramatsu lade till, "Det var ett sådant "Eureka-ögonblick" för oss alla att vi kan bidra till att stänga den 40-åriga teoretiska loopen, och för mig personligen eftersom min karriär inom astronomi började när jag tittade på de fantastiska bilderna av universum i gymnasiets bibliotek, en av dem var den ikoniska krabbanebulosan tagen av rymdteleskopet Hubble."

"Termen Rosetta Stone används för ofta som en analogi när vi hittar ett nytt astrofysiskt objekt, sa Andrew Howell, en stabsforskare vid Las Cumbres Observatory och adjungerad fakultet vid UCSB, "men i det här fallet tycker jag att det är passande. Den här supernovan hjälper oss bokstavligen att avkoda tusenåriga rekord från kulturer över hela världen. Och den hjälper oss att associera en sak som vi inte helt förstår, krabbanebulosan, med en annan sak vi har otroliga moderna uppgifter om, denna supernova. I processen lär den oss om grundläggande fysik:hur några neutronstjärnor blir till, hur extrema stjärnor lever och dör, och om hur de element vi är gjorda av skapas och sprids i universum." Howell är också ledare för Global Supernova Project, och huvudförfattare Hiramatsus Ph.D. rådgivare.