Vad händer när en stjärna beter sig som om den exploderade, men den finns kvar?

För cirka 170 år sedan, astronomer bevittnade ett stort utbrott av Eta Carinae, en av de ljusaste kända stjärnorna i Vintergatans galax. Explosionen släppte lös nästan lika mycket energi som en vanlig supernovaexplosion.

Ändå överlevde Eta Carinae.

En förklaring till utbrottet har gäckat astrofysiker. De kan inte ta en tidsmaskin tillbaka till mitten av 1800-talet för att observera utbrottet med modern teknik.

Dock, astronomer kan använda naturens egen "tidsmaskin, " med tillstånd av det faktum att ljus färdas med en begränsad hastighet genom rymden. Istället för att gå rakt mot jorden, en del av ljuset från utbrottet studsade eller "ekade" av interstellärt damm, och anländer just nu till jorden. Denna effekt kallas ljuseko. Ljuset beter sig som ett vykort som försvann med posten och kommer först 170 år senare.

Genom att utföra modern astronomisk forensik av det fördröjda ljuset med markbaserade teleskop, astronomer upptäckte en överraskning. De nya mätningarna av 1840-talets utbrott avslöjar material som expanderar med rekordhastigheter upp till 20 gånger snabbare än astronomerna förväntade sig. De observerade hastigheterna liknar mer det snabbaste materialet som kastas ut av sprängvågen i en supernovaexplosion, snarare än de relativt långsamma och milda vindarna som förväntas från massiva stjärnor innan de dör.

Baserat på dessa uppgifter, forskare tyder på att utbrottet kan ha utlösts av ett långvarigt stjärnbråk bland tre bråkiga syskonstjärnor, som förstörde en stjärna och lämnade de andra två i ett binärt system. Denna strid kan ha kulminerat med en våldsam explosion när Eta Carinae slukade en av sina två följeslagare, raketar upp mer än 10 gånger solens massa ut i rymden. Den utskjutna massan skapade gigantiska bipolära lober som liknar hantelformen som ses i dagens bilder.

Resultaten rapporteras i ett par artiklar av ett team ledd av Nathan Smith från University of Arizona i Tucson, Arizona, och Armin resten av Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland.

Ljusekon detekterades i bilder av synligt ljus som tagits sedan 2003 med medelstora teleskop vid Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile. Med hjälp av större teleskop vid Magellan Observatory och Gemini South Observatory, båda ligger också i Chile, teamet använde sedan spektroskopi för att dissekera ljuset, så att de kan mäta theejectas expansionshastigheter. De klockade materialet som glider fram med mer än 20 miljoner miles per timme (snabbt nog att resa från jorden till Pluto på några dagar).

Observationerna ger nya ledtrådar till mysteriet kring den titaniska konvulsionen som, just då, gjorde Eta Carinae till den näst ljusaste nattstjärnan som setts på himlen från jorden mellan 1837 och 1858. Data antyder hur den kan ha kommit att vara den mest lysande och massiva stjärnan i Vintergatans galax.

"Vi ser dessa riktigt höga hastigheter i en stjärna som verkar ha haft en kraftig explosion, men på något sätt överlevde stjärnan, Smith förklarade. "Det enklaste sättet att göra detta är med en stötvåg som lämnar stjärnan och accelererar materialet till mycket höga hastigheter."

Massiva stjärnor möter normalt sin slutliga bortgång i chockdrivna händelser när deras kärnor kollapsar för att göra en neutronstjärna eller ett svart hål. Astronomer ser detta fenomen i supernovaexplosioner där stjärnan utplånas. Så hur får du en stjärna att explodera med en chockdriven händelse, men det räcker inte att helt spränga sig själv? Någon våldsam händelse måste ha dumpat precis rätt mängd energi på stjärnan, vilket får den att mata ut sina yttre skikt. Men energin räckte inte till för att helt förinta stjärnan.

En möjlighet för just en sådan händelse är en sammanslagning mellan två stjärnor, men det har varit svårt att hitta ett scenario som kunde fungera och matcha alla uppgifter om Eta Carinae.

Forskarna föreslår att det enklaste sättet att förklara ett brett spektrum av observerade fakta kring utbrottet är med en interaktion av tre stjärnor, där föremålen byter massa.

Om så är fallet, då måste det nuvarande binära systemet ha börjat som ett trippelsystem. "Anledningen till att vi föreslår att medlemmar i ett galet trippelsystem interagerar med varandra är för att detta är den bästa förklaringen till hur dagens följeslagare snabbt förlorade sina yttre lager före sitt mer massiva syskon, " sa Smith.

I lagets föreslagna scenario, två rejäla stjärnor kretsar tätt och en tredje följeslagare kretsar längre bort. När den mest massiva av de nära dubbelstjärnorna närmar sig slutet av sitt liv, den börjar expandera och dumpar det mesta av sitt material på sitt lite mindre syskon.

Syskonen har nu fyllt upp till cirka 100 gånger vår sols massa och är extremt ljusstark. Givarstjärnan, nu bara cirka 30 solmassor, har tagits bort från sina vätelager, exponerar sin heta heliumkärna.

Heta heliumkärnstjärnor är kända för att representera ett framskridet evolutionsstadium i massiva stjärnors liv. "Från stjärnutvecklingen, det finns en ganska fast förståelse för att mer massiva stjärnor lever sina liv snabbare och mindre massiva stjärnor har längre livstid, " Rest förklarade. "Så den heta sällskapsstjärnan verkar vara längre fram i sin utveckling, även om den nu är en mycket mindre massiv stjärna än den den kretsar kring. Det är inte vettigt utan en överföring av massa."

Massöverföringen förändrar gravitationsbalansen i systemet, och heliumkärnstjärnan rör sig längre bort från sitt monstersyskon. Stjärnan färdas så långt bort att den gravitationsmässigt interagerar med den yttersta tredje stjärnan, sparkar den inåt. Efter att ha gjort några närpassningar, stjärnan smälter samman med sin tungviktspartner, producerar ett utflöde av material.

I fusionens inledande skeden, utstötningen är tät och expanderar relativt långsamt när de två stjärnorna rör sig närmare och närmare. Senare, en explosiv händelse inträffar när de två inre stjärnorna slutligen förenas, sprängning av material som rör sig 100 gånger snabbare. Detta material kommer så småningom ikapp det långsamma utkastet och ramlar in i det som en snöplog, värma upp materialet och få det att glöda. Detta glödande material är ljuskällan för det viktigaste historiska utbrottet som astronomer såg för ett och ett halvt sekel sedan.

Under tiden, den mindre heliumkärnans stjärna sätter sig i en elliptisk bana, passerar genom jättestjärnans yttre skikt vart 5,5 år. Denna interaktion genererar röntgenstrålning av stötvågor.

En bättre förståelse av fysiken kring Eta Carinaes utbrott kan bidra till att kasta ljus över de komplicerade interaktionerna mellan binära och multipla stjärnor, som är avgörande för att förstå utvecklingen och döden av massiva stjärnor.

Eta Carinae-systemet finns 7, 500 ljusår bort inuti Carina-nebulosan, ett stort stjärnbildande område sett på den södra himlen.

Teamet publicerade sina resultat i två tidningar, som visas online 2 augusti i The Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .