Ett internationellt team av forskare, inklusive astronomer från universiteten i Leicester, Bath och Warwick, har hittat bevis för att det finns en "het kokong" av material som omsluter en relativistisk jet som flyr en döende stjärna. Denna forskning har publicerats online idag och i tryck i Natur i morgon.

En relativistisk jet är ett mycket kraftfullt fenomen som innebär att plasmastrålar skjuter ut ur svarta hål med nära ljusets hastighet, och kan sträcka sig över miljontals ljusår.

Observationer av supernova SN2017iuk tagna kort efter dess uppkomst visade att den expanderade snabbt, med en tredjedel av ljusets hastighet. Detta är den snabbaste supernovaexpansion som har uppmätts hittills. Övervakning av utflödet under många veckor visade en tydlig skillnad mellan den ursprungliga kemiska sammansättningen och den vid senare tidpunkter.

Tagen tillsammans, dessa är indikatorer på närvaron av den mycket teoretiserade heta kokongen, fyller en lucka i vår kunskap om hur en materialstråle som flyr ut från en stjärna interagerar med stjärnhöljet runt den och ger en potentiell länk mellan två tidigare distinkta klasser av supernovor.

Supernovan signalerar det slutliga bortgången av en massiv stjärna, där stjärnkärnan kollapsar och de yttre lagren blåser av våldsamt. SN2017iuk tillhör en klass av extrema supernovor, kallas ibland hypernovor eller GRB-SNe, som åtföljer en ännu mer dramatisk händelse känd som en gammastrålning (GRB).

Vid stjärndöden, en mycket relativistisk, en smal stråle av material kan kastas ut från stjärnans poler som lyser starkt först i gammastrålning och sedan över hela det elektromagnetiska spektrumet och är känd som en GRB.

Tills nu, astronomer har inte kunnat studera de tidigaste ögonblicken i utvecklingen av en supernova av detta slag (en GRB-SN), men SN2017iuk var av en tur i närheten – ungefär 500 miljoner ljusår från jorden – och GRB-ljuset var underljusande, så att själva SN:et kan detekteras vid tidiga tidpunkter.

Dr Rhaana Starling, Docent vid University of Leicesters institution för fysik och astronomi sa:"Detta såg omedelbart ut som en händelse värd att jaga, som det hände i en storslagen spiralgalax mycket nära, kosmologiskt sett.

"När de första datauppsättningarna kom in var det en ovanlig komponent i ljuset som såg väldigt blå ut, föranledde en övervakningskampanj för att se om vi kunde fastställa dess ursprung genom att följa utvecklingen och ta detaljerade spektra.

"Gammastrålningen i sig såg ganska svag ut, så vi kunde se andra processer som pågick runt den nybildade jetstrålen som normalt drunknar. Idén om en kokong av termaliserad gas skapad av den relativistiska jetstrålen när den borrar ut ur stjärnan hade föreslagits och underförstått i andra fall, men här var beviset för att vi behövde fastställa existensen av en sådan struktur."

En samordnad strategi med hjälp av en uppsättning rymd- och markbaserade observatorier krävdes för att övervaka supernovan under 30 dagar och vid många våglängder. Händelsen upptäcktes först med Neil Gehrels Swift Observatory. Swift är ett NASA-rymduppdrag där University of Leicester är en av tre partners, och är värd för sitt brittiska datacenter.

Data erhållna med Gravitational-wave Optical Transient Observatory (GOTO) hjälpte till att spåra supernovaljuset, medan spektroskopi erhölls genom dedikerade observationsprogram inklusive initiativ från STARGATE Collaboration ledd av professor Nial Tanvir vid University of Leicester, som använder 8-m teleskop vid European Southern Observatory.

Professor Tanvir, Lektor i fysik och astronomi vid University of Leicester sa:"Den relativistiska jetstrålen slår ut genom stjärnan som om det var en kula som skjuts ut från insidan av ett äpple. Det vi har sett för första gången är allt som gäller skräp som exploderar ut efter kulan."

Hastigheter upp till 115, 000 kilometer per sekund uppmättes för den expanderande supernovan i ungefär en timme efter dess början. En annan kemisk sammansättning hittades för den tidigt expanderande supernovan jämfört med den mer järnrika senare utstötningen. Teamet drog slutsatsen att bara timmar efter debuten kommer utmatningen från det inre, från en het kokong skapad av jetplanen.

Befintliga supernovaproduktionsmodeller visade sig vara otillräckliga för att ta hänsyn till den stora mängd höghastighetsmaterial som uppmätts. Teamet utvecklade nya modeller som inkorporerade kokongkomponenten och fann att dessa var en utmärkt matchning.

SN2017iuk tillhandahåller också en länge eftersökt länk mellan supernovan som följer med GRB, och de som inte gör det:i ensamma supernovor, höghastighetsutflöden har också setts, med hastigheter som når 50, 000 kilometer per sekund, som kan ha sitt ursprung i samma kokongscenario men flykten från det relativistiska GRB-jetflyget förhindras på något sätt.

Kärnkollapssupernovor utan GRB:er hittas vanligtvis mycket senare efter deras uppkomst, ger forskare mycket liten chans att upptäcka några signaturer av en het kokong, medan kokongdrag i GRB-associerade supernovor vanligtvis döljs av de ljusa, relativistisk jet.

Det sällsynta fallet med SN2017iuk har öppnat ett fönster till de tidigaste stadierna av denna typ av supernovafenomen, så att den svårfångade kokongstrukturen kan observeras.