Berättelser om supernovor – exploderande stjärnor – går tillbaka tusentals år, och även om vi idag vet att dessa händelser skapar själva livets byggstenar, finns det fortfarande obesvarade frågor om de förhållanden som får en stjärna att explodera.
Forskare från Weizmann Institute of Science har nu gjort stora framsteg för att bättre förstå dessa fascinerande fenomen. Med hjälp av flera teleskop, inklusive W. M. Keck-observatoriet på Maunakea, Hawaii Island, kunde de samla in data från en en gång i livet supernova kallad SN 2023ixf. Deras resultat publiceras i dagens upplaga av tidskriften Nature .
Fram till nyligen ansågs supernovor vara sällsynta med kända förekomster i Vintergatan som i bästa fall inträffade en gång per århundrade, och lyser upp natthimlen med intensiteten av 100 miljoner solar; den sista observerbara explosionen i vår galax ägde rum för hundratals år sedan.
Framsteg inom teleskoptekniken har sedan dess hjälpt till att identifiera supernovor i avlägsna galaxer, och tillhandahållit mer data än vad som tidigare varit möjligt. Ändå kvarstår samma problem; eftersom explosioner inte kan förutsägas är astrofysiker som rymdarkeologer, som vanligtvis anländer till platsen efter händelsen och försöker plocka ihop information från kvarlevorna.
"Det är det som gör den här supernovan annorlunda", säger Ph.D. student Erez Zimmerman från Prof. Avishay Gal-Yams grupp på Weizmann. "Vi kunde – för allra första gången – på nära håll följa en supernova medan dess ljus kom ut från det cirkumstellära material där den exploderande stjärnan var inbäddad."
Upptäckten motsvarade att ta sig till brottsplatsen medan brottet fortfarande pågick.
Forskarna erkänner att de hade tur. Gal-Yams team ansökte om forskningstid på NASA:s rymdteleskop Hubble, i hopp om att samla ultravioletta (UV) spektraldata om vilken supernova som helst som interagerar med dess miljö. Istället fick de chansen att i realtid bevittna en av de närmaste supernovorna på decennier:en röd superjätte som exploderar i en angränsande galax som heter Messier 101, även känd som Pinwheel-galaxen.
Teamet upptäckte SN 2023ixf på en fredag, i början av helgen i Israel och strax före helgen i Baltimores Space Telescope Science Institute – operationscentret för Hubble-teleskopet. För att komplicera saker ytterligare, det ägde rum två dagar före Zimmermans bröllop. Teamet höll ut och drog en helnatter på fredagen och levererade de nödvändiga mätningarna till NASA i nödfall.
"Det är väldigt sällsynt, som vetenskapsman, att du måste agera så snabbt", säger Gal-Yam. "De flesta vetenskapliga projekt sker inte mitt i natten, men möjligheten dök upp och vi hade inget annat val än att svara därefter."
Inte bara lyckades de få Hubble att anta rätt koordinater och vinkel för att registrera nödvändiga data, utan på grund av explosionens relativa närhet visade det sig att Hubble redan hade gjort inspelningar i denna sektor av universum många gånger tidigare. När man vänder sig till NASAs arkiv kunde Gal-Yams team och många andra grupper skaffa data från före stjärnans slutliga bortgång – när den fortfarande bara var en röd superjätte i sitt sista skede av livet – och skapade därmed det mest kompletta porträttet av en supernova någonsin:en sammansättning av dess sista dagar och död.
Observationer av SN 2023ixf bestod av UV- och röntgendata från NASA:s Hubble- och Swift-satelliter, samt många av de bästa teleskopen över hela världen.
Detta inkluderade spektra som fångats med tre av Keck Observatorys instrument – Keck Cosmic Web Imager (KCWI), Deep Imaging and Multi-Object Spectrograph (DEIMOS) och Low Resolution Imaging Spectrometer (LRIS) – där varje instrument erbjuder en unik bild av supernovan och hur det förändrades över tiden.
Sammanställningen av högkvalitativa rymd- och markbaserade data gjorde det möjligt för forskarna att kartlägga de två yttre skikten av den exploderande stjärnan och komma med en extraordinär hypotes.
"Beräkningar av det cirkumstellära materialet som emitterades i explosionen, samt detta materials densitet och massa före och efter supernovan, skapar en diskrepans, vilket gör det mycket troligt att den saknade massan hamnade i ett svart hål som bildades i efterdyningarna av explosionen – något som vanligtvis är väldigt svårt att avgöra”, säger Ph.D. elev Ido Irani från Gal-Yams team.
"Stjärnor beter sig väldigt oberäkneligt under sina äldre år", säger Gal-Yam. "De blir instabila och vi kan vanligtvis inte vara säkra på vilka komplexa processer som sker inom dem eftersom vi alltid startar den rättsmedicinska processen i efterhand, när mycket av datan redan har gått förlorad."
"Denna studie ger en unik möjlighet att bättre förstå de mekanismer som leder till slutet på en stjärnas liv och den slutliga bildandet av något helt nytt", säger Zimmerman.
Forskare kanske aldrig får reda på vad som kommer att hända med saken som utgjorde Messier 101:s tidigare röda superjätte. De senare stadierna av supernovan pågår dock och nya data kommer fortfarande in, vilket innebär att denna studie, tillsammans med uppföljningsstudier av SN 2023ixf, kan ge mer insikt i dessa explosiva händelser.
Mer information: Erez Zimmerman, The complex circumstellar environment of supernova 2023ixf, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07116-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07116-6
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av W. M. Keck Observatory
