Ett internationellt team av astronomer inklusive UCL:s (University College Londons) professor Mike Barlow har upptäckt det första avgörande beviset för att det finns en neutronstjärna i centrum av Supernova 1987A, en stjärnexplosion som observerades för 37 år sedan.
Supernovor är det spektakulära slutresultatet av kollapsen av stjärnor som är mer massiva än 8–10 gånger solens massa. De är de viktigaste källorna till kemiska grundämnen (som kol, syre, kisel och järn) som gör livet möjligt. Den kollapsade kärnan av dessa exploderande stjärnor kan resultera i mycket mindre neutronstjärnor, sammansatta av den tätaste materien i det kända universum, eller svarta hål.
Supernova 1987A, belägen i det stora magellanska molnet, en angränsande dvärggalax, var den närmaste, ljusaste supernova som setts på natthimlen på 400 år.
Neutrinos, ofattbart små subatomära partiklar, producerades i supernovan och upptäcktes på jorden (23 februari 1987) dagen innan supernovan sågs, vilket tyder på att en neutronstjärna måste ha bildats. Det har dock inte varit känt om neutronstjärnan höll i sig eller kollapsade i ett svart hål, eftersom stjärnan har varit skymd av damm som bildades efter explosionen.
I den nya studien, publicerad i tidskriften Science , använde forskare två instrument på James Webb Space Telescope (JWST), MIRI och NIRSpec, för att observera supernovan vid infraröda våglängder och hittade bevis på tunga argon- och svavelatomer vars yttre elektroner hade tagits bort (dvs. atomerna hade joniserats) nära där stjärnexplosionen inträffade.
Teamet modellerade olika scenarier och fann att dessa atomer endast kunde ha joniserats av ultraviolett och röntgenstrålning från en varm kylande neutronstjärna eller, alternativt, från vindarna av relativistiska partiklar som accelererats av en snabbt roterande neutronstjärna och interagerar med omgivande supernovamaterial (pulsarvindnebulosa).
Om det förra scenariot är sant, skulle neutronstjärnans yta vara omkring en miljon grader, efter att ha svalnat från 100 miljarder grader eller så vid bildningsögonblicket i kärnan av kollapsen mer än 30 år tidigare.
Medförfattaren professor Mike Barlow (UCL Physics &Astronomy) sa:"Vår upptäckt med James Webbs MIRI- och NIRSpec-spektrometrar av starka joniserade argon- och svavemissionslinjer från själva mitten av nebulosan som omger Supernova 1987A är ett direkt bevis på närvaron av en central källa för joniserande strålning. Våra data kan endast förses med en neutronstjärna som kraftkälla för den joniserande strålningen.
"Denna strålning kan sändas ut från den heta neutronstjärnans miljoner graders yta, såväl som av en pulsarvindnebulosa som kunde ha skapats om neutronstjärnan snabbt snurrar och drar laddade partiklar runt sig.
"Mysteriet om huruvida en neutronstjärna gömmer sig i stoftet har varat i mer än 30 år och det är spännande att vi har löst det.
"Supernovor är de viktigaste källorna till kemiska grundämnen som gör livet möjligt - så vi vill få våra modeller av dem rätt. Det finns inget annat objekt som neutronstjärnan i Supernova 1987A, så nära oss och som har bildats så nyligen. Eftersom material som omger det expanderar, vi kommer att se mer av det allt eftersom."
Professor Claes Fransson (Stockholms universitet, Sverige), huvudförfattaren till studien, sa:"Tack vare den fantastiska rumsliga upplösningen och utmärkta instrument på JWST har vi för första gången kunnat undersöka supernovans centrum och vad skapades där.
"Vi vet nu att det finns en kompakt källa för joniserande strålning, troligen från en neutronstjärna. Vi har letat efter detta från explosionstillfället, men var tvungna att vänta på att JWST skulle kunna verifiera förutsägelserna."
Dr. Patrick Kavanagh (Maynooth University, Irland), en annan författare till studien, sa:"Det var så spännande att titta på JWST-observationerna av SN 1987A för första gången. När vi kontrollerade MIRI- och NIRSpec-data, var den mycket ljusa emissionen från argon i centrum av SN 1987A hoppade ut. Vi visste omedelbart att detta var något speciellt som äntligen kunde svara på frågan om det kompakta föremålets natur."
Professor Josefin Larsson (Kungliga Tekniska Högskolan (KTH), Sverige), en medförfattare till studien, sa:"Denna supernova erbjuder oss hela tiden överraskningar. Ingen hade förutspått att det kompakta föremålet skulle upptäckas genom en superstark emissionslinje från argon, så det är lite roligt att det var så vi hittade det i JWST."
Modeller indikerar att tunga argon- och svavelatomer produceras i stort överflöd på grund av nukleosyntes inuti massiva stjärnor omedelbart innan de exploderar.
Medan det mesta av den exploderande stjärnans massa nu expanderar med upp till 10 000 km/sekund och är fördelat över en stor volym, observerades de joniserade argon- och svavelatomerna nära centrum där explosionen inträffade.
Den ultravioletta och röntgenstrålningen som tros ha joniserat atomerna förutspåddes 1992 som en unik signatur för en nyskapad neutronstjärna.
Dessa joniserade atomer upptäcktes av James Webbs MIRI- och NIRSpec-instrument med en teknik som kallas spektroskopi, där ljus sprids i ett spektrum, vilket gör det möjligt för astronomer att mäta ljus vid olika våglängder för att bestämma ett objekts fysikaliska egenskaper, inklusive dess kemiska sammansättning.
Ett UCL-team vid Mullard Space Science Laboratory designade och byggde NIRSpecs kalibreringskälla, som gör att instrumentet kan göra mer exakta mätningar genom att ge en jämn referensbelysning av dess detektorer.
Den nya studien involverade forskare från Storbritannien, Irland, Sverige, Frankrike, Tyskland, USA, Nederländerna, Belgien, Schweiz, Österrike, Spanien och Danmark.
SN 1987A är den mest studerade och bäst observerade supernovan av alla.
Exploderande den 23 februari 1987 i det stora magellanska molnet på södra himlen på ett avstånd av 160 000 ljusår, det var den närmaste supernovan sedan den senaste supernovan med blotta ögat observerades av Johannes Kepler 1604. Under flera månader innan den bleknade kunde SN 1987A vara ses med blotta ögat även på detta avstånd.
Ännu viktigare är att det är den enda supernovan som har upptäckts via sina neutriner. Detta är mycket betydelsefullt eftersom 99,9 % av den enorma energi som släpptes ut i denna händelse förutspåddes gå förlorad eftersom dessa extremt svagt interagerande partiklar.
De återstående 0,1 % uppträder i återstodens expansionsenergi och som ljus. Av det enorma antalet (cirka 10 upp till 58) neutriner som sänds ut, upptäcktes cirka 20 av tre olika detektorer runt jorden, från kollapsen i stjärnans kärna den 23 februari klockan 7:35:35 UT.
SN 1987A var också den första supernovan där stjärnan som exploderade kunde identifieras från bilder som hade tagits före explosionen. Förutom neutrinerna är det mest intressanta resultatet av kollapsen och explosionen förutsägelsen att ett svart hål eller neutronstjärna skapades. Detta utgör bara den centrala kärnan av den kollapsade stjärnan, med en massa på 1,5 gånger solens. Resten stöts ut med en hastighet på upp till 10 % av ljusets hastighet, vilket bildar den expanderande rest som vi direkt observerar idag.
Den "långa" 10 sekunders varaktigheten av neutrinoskuren indikerade bildandet av en neutronstjärna, men trots flera intressanta indikationer från radio- och röntgenobservationer, hade inga avgörande bevis för ett kompakt föremål hittats förrän nu, och var de viktigaste kvarvarande olöst problem för SN 1987A.
En viktig orsak till detta kan vara den stora massa dammpartiklar som vi vet bildades under åren efter explosionen. Detta damm kan blockera det mesta av det synliga ljuset från mitten och därför dölja det kompakta föremålet vid synliga våglängder.
I sin studie diskuterar författarna två huvudsakliga möjligheter:antingen strålning från den heta, miljongraders nyfödda neutronstjärnan eller, alternativt, strålning från energiska partiklar som accelereras i det starka magnetfältet från den snabbt roterande neutronstjärnan (pulsar). Detta är samma mekanism som fungerar i den berömda krabbnebulosan med sin pulsar i mitten, som är en rest av supernovan som observerades av kinesiska astronomer 1054.
Modeller av dessa två scenarier resulterar i liknande förutsägelser för spektrumet, som stämmer väl överens med observationerna, men är svåra att särskilja. Ytterligare observationer med JWST och markbaserade teleskop i synligt ljus, samt Hubble Space Telescope, kanske kan särskilja dessa modeller.
I båda fallen ger dessa nya observationer med JWST övertygande bevis för ett kompakt objekt, troligen en neutronstjärna, i mitten av SN 1987A.
Sammanfattningsvis ger dessa nya observationer av JWST, tillsammans med tidigare observationer av stamfadern och neutrinos, en komplett bild av detta unika objekt.
Mer information: C. Fransson, Emissionslinjer på grund av joniserande strålning från ett kompakt föremål i resterna av Supernova 1987A, Science (2024). DOI:10.1126/science.adj5796. www.science.org/doi/10.1126/science.adj5796
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av University College London
