När en massiv stjärna når slutet av sitt liv, den kan explodera som en supernova. Men det finns en unik typ av supernova som är mycket ljusare som vi precis har börjat förstå – och som kan visa sig användbar för att mäta universum.

Kända som superluminous supernovor, dessa händelser är vanligtvis 10 till 100 gånger ljusare än en vanlig supernova men mycket mer sällsynta. Vi har sett cirka 100 hittills, men många aspekter av dessa händelser förblir svårfångade.

Varför är de så mycket ljusare än vanliga supernovor, till exempel, och vilka stjärnor orsakar dem? Astronomer hoppas kunna svara på dessa och fler frågor under de kommande åren, med olika studier på gång för att förstå dessa händelser som aldrig förr.

Bildning

Dr Ragnhild Lunnan från Stockholms universitet, Sverige, är en av medutredarna i SUPERS-projektet, som försöker ta reda på vilka stjärnor som leder till bildandet av superluminous supernovor. Med dussintals hittade redan, teamet bygger den största samlingen av dessa evenemang i ett försök att lära sig mer om dem.

"Genom att följa utvecklingen av dessa supernovor till en mycket sen fas, du kan avkoda deras (struktur), " sa hon. "Det här berättar saker om stjärnan som exploderade, och möjligen hur det exploderade."

För att hitta dessa explosioner, Dr. Lunnan och hennes team använder en kamera som kallas Zwicky Transient Facility (ZTF), en del av Palomar Observatory i Kalifornien, USA, att undersöka himlen. Endast en supernova förväntas per galax per århundrade, med bara en av 1, 000 eller till och med en av 10, 000 av dem är superluminous. Men genom att titta på många galaxer samtidigt med ZTF, det är möjligt att upptäcka dessa händelser.

Superluminous supernovor finns oftare i stjärnbildande galaxer än äldre galaxer, vilket betyder att de sannolikt är explosioner av unga stjärnor, konstaterar Dr Lunnan.

"Dessutom, du hittar dem väldigt ofta i galaxer som är typ av kemiskt primitiva, kallas lågmetallicitet, och vi tror att detta också är en ledtråd, " sa hon. "Vi tror att de är förknippade med mycket massiva och metallfattiga stjärnor. Men utöver det, vi vet verkligen inte."

Under 2018, Dr. Lunnan och hennes team upptäckte en superluminous supernova med ett gigantiskt skal av material runt sig, som den måste ha kastat ut under de sista åren av sitt korta liv. "Denna upptäckten (av skalet) är en annan ledtråd om att stjärnorna måste vara väldigt massiva, " sa Dr Lunnan.

Pågår supernova

Den exakta processen som orsakar en superluminous supernova är en annan fråga. Vanligtvis, stjärnor kan bli supernova antingen genom att självständigt kollapsa, eller dela material med en liten tät stjärna känd som en vit dvärg innan en explosion äger rum, känd som en typ 1a supernova. Men vad händer i en överljusande händelse?

Dr. Avishay Gal-Yam från Weizmann Institute of Science i Israel, projektkoordinator på Fireworks-projektet, har försökt svara på denna fråga. Projektet har använt observationer av natthimlen från kameror som ZTF som har en snabb kadens, vilket betyder att de visar en händelse kort efter att den inträffade, att studera kosmiska explosioner.

Tidigare såg vi bara supernovor ungefär två veckor efter att de hände, men ZTF:s ständiga observationer av himlen tillåter oss att se dem inom ungefär en eller två dagar. Och det är särskilt användbart för superluminous supernovor. En vanlig supernova kan ljusna och blekna under en period av veckor, men en superluminous supernova kan pågå flera gånger längre, samtidigt som den når sin högsta ljusstyrka långsammare.

"De utvecklas relativt långsamt, ", sa han. "Tiden för explosionen att nå sin topp kan vara ett par månader, ibland ännu längre. Så studier av dessa objekt är inte fokuserade på snabba observationer, utan snarare en kontinuerlig uppföljningskampanj som tar månader och ibland år."

Hittills har Dr Gal-Yam och hans team publicerat flera studier, undersöker några av teorierna för hur dessa händelser inträffar. En idé är att en vanlig supernova lämnar efter sig en snabbt snurrande och starkt magnetiserad neutronstjärna, kallad magnetar, som fungerar som en jättemagnet och pumpar in energi i supernovaexplosionen.

Men Dr Gal-Yams mer gynnade teori är densamma som Dr Lunnan förespråkar – att kollapsande massiva stjärnor är orsaken. "Vad kan generera så mycket energi som kan driva ett sådant ljusutsläpp, både när det gäller mängden energi och den mycket långa tid som emissionen fortsätter att ske?" sa han. "Den mest spännande (teorin) är en explosion från en mycket massiv stjärna som är 100 gånger mer massiv än solen."

Distans

Medan många frågor om superluminous supernovor förblir obesvarade, de har redan visat sig användbara som avståndsmarkörer i universum. Kallas standardljus, "Ljusa händelser som supernovor kan berätta för oss hur långt bort en viss galax är eftersom vi vet hur ljusa de borde vara.

"Tanken här är ett standardljus, ett föremål med känd ljusstyrka, " sa Dr Mark Sullivan, projektkoordinator på SPCND-projektet som tittade på hur explosiva händelser som denna kan vara användbara för kosmologiska studier. "Om du kan hitta den på himlen och mäta hur ljus den ser ut att vara för oss på jorden, du kan se hur långt bort det är."

Ljusstyrkan hos superluminösa supernovor gör dem särskilt användbara. Med hjälp av Dark Energy Survey (DES), en undersökning av natthimlen med Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile, Dr Sullivan och hans team hittade mer än 20 superluminösa supernovor i galaxer upp till åtta miljarder ljusår från jorden, ger oss en ny kosmisk distansstege. "Vi har en ny datamängd av dessa objekt i det avlägsna universum, sa Sullivan.

Med en växande urvalsstorlek av dessa händelser, astronomer kommer nu att hoppas kunna svara en gång för alla vad som orsakar dem. Kommande teleskop som Vera C. Rubin-observatoriet i Chile kan visa sig viktiga, utföra nya genomgripande undersökningar av natthimlen, och hitta fler av dessa föremål än någonsin tidigare.

"Vi är verkligen i den här eran där vi hittar så många föremål - även saker som är sällsynta, " sade doktor Lunnan. "Det är väldigt roligt."