Supernovor - de våldsamma slutarna på massiva stjärnors korta men lysande liv - är bland de mest katastrofala händelserna i kosmos. Även om supernovor markerar stjärnors död, de utlöser också födelsen av nya element och bildandet av nya molekyler.

I februari 1987, astronomer såg en av dessa händelser utspela sig inuti det stora magellanska molnet, en liten dvärggalax som ligger cirka 160, 000 ljusår från jorden.

Under de kommande 30 åren, observationer av kvarlevan av den explosionen avslöjade aldrig tidigare sett detaljer om stjärnors död och hur atomer skapades i dessa stjärnor - som kol, syre, och kväve – spill ut i rymden och kombineras för att bilda nya molekyler och damm. Dessa mikroskopiska partiklar kan så småningom hitta in i framtida generationer av stjärnor och planeter.

Nyligen, astronomer använde Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) för att undersöka hjärtat av denna supernova, heter SN 1987A. ALMA:s förmåga att se anmärkningsvärt fina detaljer gjorde det möjligt för forskarna att producera en intrikat 3D-rendering av nybildade molekyler inuti supernovaresten. Dessa resultat publiceras i Astrofysiska tidskriftsbrev .

Forskarna upptäckte också en mängd olika tidigare oupptäckta molekyler i kvarlevan. Dessa resultat visas i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

"När denna supernova exploderade, nu för mer än 30 år sedan, astronomer visste mycket mindre om hur dessa händelser omformar det interstellära rymden och hur det heta, glödande skräp från en exploderad stjärna svalnar så småningom och producerar nya molekyler, " sa Rémy Indebetouw, en astronom vid University of Virginia och National Radio Astronomy Observatory (NRAO) i Charlottesville. "Tack vare ALMA, vi kan äntligen se kallt "stjärndamm" när det bildas, avslöjar viktiga insikter om själva den ursprungliga stjärnan och hur supernovor skapar de grundläggande byggstenarna för planeter."

Astronomer som använde ALMA-data skapade en 3D-bild av molekyler som smiddes i resterna av en supernova, SN 1987A. De lila områdena indikerar platsen för kiselmonoxid (SiO) molekyler. Det gula området är platsen för kolmonoxid (CO) molekyler. Den blå ringen är faktiska Hubble-data (väte, eller H-alfa) som har expanderats på konstgjord väg till 3D. Upphovsman:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), R. Indebetouw; NASA/ESA Hubble

Supernovas - Star Death to Dust Birth

Inför pågående utredningar av SN 1987A, det fanns bara så mycket astronomer kunde säga om inverkan av supernovor på deras interstellära grannskap.

Man förstod väl att massiva stjärnor, de som är ungefär 10 gånger massan av vår sol eller mer, avslutade sina liv på ett spektakulärt sätt.

När dessa stjärnor får slut på bränsle, det finns inte längre tillräckligt med värme och energi för att slå tillbaka mot tyngdkraften. Stjärnans yttre delar, en gång hålls upp av fusionens kraft, sedan falla ner på kärnan med enorm kraft. Rebounden av denna kollaps utlöser en kraftig explosion som spränger material i rymden.

Som slutpunkten för massiva stjärnor, forskare har lärt sig att supernovor har långtgående effekter på deras hemgalaxer. "Anledningen till att vissa galaxer ser ut som de gör idag är till stor del på grund av supernovorna som har förekommit i dem, "Indebetouw sa. "Även om mindre än tio procent av stjärnorna blir supernovor, de är ändå nyckeln till utvecklingen av galaxer. "

Denna vetenskapliga visualisering illustrerar utvecklingen av Supernova 1987A från den initiala svällningen av värdstjärnan och supernovaexplosionen till den expanderande chockvågen och bildandet av molekyler som upptäckts av ALMA i kvarlevan. Kredit:A. Angelich och B. Saxton, NRAO/AUI/NSF; R. Indebetouw et al., A. Angelich (NRAO/AUI/NSF); NASA/STScI/CfA/R. Kirshner; NASA/CXC/SAO/PSU/D. Burrows et al.; ESO; NASA/CXC/D.Berry/MIT/T.Delaney et al.; NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab; ESO/C. Malin/B. Tafreshi/José Francisco Salgado. Musik:Geodesium

I hela det observerbara universum, supernovor är ganska vanliga, men eftersom de förekommer - i genomsnitt - ungefär var 50:e år i en galax lika stor som Vintergatan, astronomer har mycket få möjligheter att studera en från dess första detonation till den punkt där den svalnar tillräckligt för att bilda nya molekyler. Även om SN 1987A inte finns i vår hemgalax, det är fortfarande tillräckligt nära för att ALMA och andra teleskop ska kunna studera i detalj.

Fånga 3D-bild av SN1987A med ALMA

I årtionden, radio, optisk, och även röntgenobservatorier har studerat SN 1987A, men att skymma damm i kvarlevan gjorde det svårt att analysera supernovans innersta kärna. ALMA:s förmåga att observera vid millimetervåglängder - ett område av det elektromagnetiska spektrumet mellan infrarött och radioljus - gör det möjligt att se genom det mellanliggande dammet. Forskarna kunde sedan studera förekomsten och placeringen av nybildade molekyler - särskilt kiselmonoxid (SiO) och kolmonoxid (CO), som lyser starkt vid de korta submillimetervåglängderna som ALMA kan uppfatta.

Den nya ALMA -bilden och animationen visar stora nya butiker av SiO och CO på diskreta, trassliga klumpar i kärnan av SN 1987A. Forskare modellerade tidigare hur och var dessa molekyler skulle dyka upp. med ALMA, forskarna kunde äntligen ta bilder med tillräckligt hög upplösning för att bekräfta strukturen inuti kvarlevan och testa dessa modeller.

Förutom att få den här 3D-bilden av SN 1987A, ALMA -data avslöjar också övertygande detaljer om hur dess fysiska förhållanden har förändrats och fortsätter att förändras över tiden. Dessa observationer ger också insikter om de fysiska instabiliteten i en supernova.

Nya insikter från SN 1987A

Tidigare observationer med ALMA verifierade att SN 1987A producerade en enorm mängd damm. De nya observationerna ger ännu fler detaljer om hur supernovan skapade dammet samt vilken typ av molekyler som finns i kvarlevan.

"Ett av våra mål var att observera SN 1987A i en blind sökning efter andra molekyler, ", sade Indebetouw. "Vi förväntade oss att hitta kolmonoxid och kiselmonoxid, eftersom vi tidigare hade upptäckt dessa molekyler." Astronomerna, dock, var glada över att hitta de tidigare oupptäckta molekylerna formylkatjon (HCO+) och svavelmonoxid (SO).

"Dessa molekyler hade aldrig upptäckts i en ung supernovarest tidigare, " noterade Indebetouw. "HCO+ är särskilt intressant eftersom dess bildning kräver särskilt kraftig blandning under explosionen." Stjärnor smider element i diskreta lökliknande lager. När en stjärna går till supernova, dessa en gång väldefinierade band genomgår en våldsam mixning, hjälper till att skapa den miljö som är nödvändig för bildning av molekyler och damm.

Astronomerna uppskattar att omkring 1 av 1000 kiselatomer från den exploderade stjärnan nu finns i fritt flytande SiO-molekyler. Den överväldigande majoriteten av kislet har redan införlivats i dammkorn. Även den lilla mängd SiO som är närvarande är 100 gånger större än förutspått av dammbildningsmodeller. Dessa nya observationer kommer att hjälpa astronomer att förfina sina modeller.

Dessa observationer visar också att tio procent eller mer av kolet inuti resterna för närvarande finns i CO-molekyler. Endast ett fåtal av varje miljon kolatomer finns i HCO+-molekyler.

Nya frågor och framtida forskning

Även om de nya ALMA -observationerna kastar viktigt ljus på SN 1987A, det finns fortfarande flera frågor kvar. Exakt hur många är molekylerna av HCO+ och SO? Finns det andra molekyler som ännu inte har upptäckts? Hur kommer 3D-strukturen för SN 1987A att fortsätta att förändras över tiden?

Framtida ALMA-observationer vid olika våglängder kan också hjälpa till att avgöra vilken sorts kompakt objekt – en pulsar eller neutronstjärna – som finns i mitten av kvarlevan. Supernova skapade sannolikt ett av dessa täta stjärnobjekt, men ännu har ingen upptäckts.