Zaobserwowano nietypową superjasną supernową AT2021sew

Około północy z 23 na 24 września 2021 pojawiła się informacja o obserwacji nietypowej gwiazdy. Obiekt AT2021sew został sklasyfikowany jako superjasna supernowa typu II.

Supernowych odkrywa się dziś na pęczki. Są całe programy obserwacyjne poświęcone wyłącznie poszukiwaniu wybuchających gwiazd lub innych „wydarzeń przejściowych”. Jednym z większych przedsięwzięć jest praca grupy Zwicky Transient Facility (ZTF), która stale monitoruje niebo za pomocą teleskopu o średnicy 1,2 m w Obserwatorium Palomarskim w Kalifornii. To oni 2 lipca 2021 dokonali odkrycia i przypisali numer seryjny do nieznanego jeszcze obiektu: w bazie zaistniał on jako ZTF21abjaeco. Kiedy potwierdzono, że to supernowa, międzynarodowy system nazewnictwa nadał obiektowi nazwę AT2021sew. Jeszcze wtedy nie było wiadomo, że to naprawdę interesująca gwiazda.

Na marginesie, powyższe nazwy nie są jeszcze takie złe. W 2018 roku została odkryta hipernowa, której automatycznie przypisana nazwa brzmiała: AT2018cow. Obiekt doczekał się wielu publikacji, w których astronomowie opisywali własności „krowiej gwiazdy”.

Teleskop Hobby-Eberly
Teleskop Hobby-Eberly posiada największe zwierciadło pomiędzy wszystkimi teleskopami na świecie. Stoi na podium razem ze swoich bratem-bliźniakiem, teleskopem SALT w RPA. Zdjęcie z publikacji J. Heislera et al. (2010)

Superjasna supernowa a hipernowa

Bieżące odkrycie, czyli AT2021sew, zostało dogłębnie przebadane w czasie maksimum blasku przez ekipę z obserwatorium McDonalda w Teksasie. Za pomocą teleskopu Hobby-Eberly (teoretycznie można go nazwać największym teleskopem na świecie) wyznaczono wstępne parametry fizyczne supernowej. Dzięki obserwacjom spektroskopowym udało się ustalić, że jest to supernowa powstała z bardzo masywnej gwiazdy, która zakończyła swój żywot zapadając się pod własnym ciężarem. W tym przypadku jest to supernowa typu II.

Za pomocą tych samych obserwacji udało się oszacować, że supernowa ma miejsce w galaktyce oddalonej niespełna dwa miliardy lat światła stąd. Biorąc to pod uwagę, oszacowano jej jasność absolutną na -20,2 magnitudo w zakresie przypadającym na światło czerwone. Jest to około 10 razy więcej niż mają typowe supernowe! Prawdziwie superjasna supernowa.

W nomenklaturze astronomicznej obok supernowych istnieją jeszcze hipernowe. Te dziwne obiekty mają jasność co najmniej 10 razy większą od supernowych. Dlaczego więc AT2021sew została ochrzczona jako superjasna supernowa, a nie hipernowa? Tu powodem jest nie jasność rozbłysku, ale prędkość wyrzucania materii. Hipernowa jest rozbłyskiem, któremu towarzyszy wyrzut potężnych ilości materii gwiazdy z oszałamiającą prędkością.

W przypadku AT2021sew jasność była wysoka, ale już prędkość wyrzutu materii była typowa dla supernowych. Zmierzono, że jej otoczka rozszerza się z prędkością około 1500 km/s.

Superjasna supernowa AT2021sew
Obrazy przedstawiające niebo w pobliżu supernowej. Z lewej: zdjęcie wykonane w okolicy maksimum rozbłysku, 29 lipca 2021, Pośrodku: zdjęcie porównawcze wykonane przed odkryciem supernowej. Na prawym zdjęciu widać obraz będący różnicą zdjęcia lewego i środkowego. Jedynym obiektem pozostałym po odjęciu jest supernowa, która ma większy blask niż przed rozbłyskiem. Zdjęcia pochodzą z wyszukiwarki ALeRCE ZTF Explorer.

Obserwacje superjasnych supernowych są bardzo pożądane. Obecnie traktuje się je jako klucz do zagadki związanej z mechanizmem powstawania czarnych dziur o masach pomiędzy 50 a 150 mas Słońca. Takie średniomasywne czarne dziury były uważane za niemożliwe do wyprodukowania przez znane mechanizmy ewolucji supernowych. Jedna z ważniejszych prac w tym temacie opublikowana została przez warszawskich astronomów ponad dekadę temu (Belczynski et al. 2010). Tłumaczyła one tę niemożność przez całkowite rozerwanie gwiazdy w procesie szybkiego odbicia materii opadającej na jądro umierającej gwiazdy o masie powyżej 40 mas Słońca. Symulacje komputerowe były tak dobrane, by zgadzały się z obserwowaną „pustynią czarnych dziur”, czyli kompletnym brakiem znanych średniomasywnych czarnych dziur.

Egzotyczne supernowe

Sprawa skomplikowała się we wrześniu 2020 roku, kiedy zaobserwowano zderzenie się dwóch czarnych dziur o właśnie takich „niemożliwych” masach. W tym miejscu na scenę wchodzi niezmiernie ciekawy mechanizm przebiegu ostatnich minut życia supermasywnych gwiazd. Mowa o „niestabilności wywołanej kreacją par” (niestety, nie ma dobrego tłumaczenia angielskiego potworka: „pair-instability”). Ten scenariusz wymaga przypomnienia, że gwiazda jest gwiazdą, bowiem jej ciśnienie wewnętrznie przeciwstawia się ciśnieniu wywieranemu przez jej własną grawitację. Obydwie siły są perfekcyjnie zbalansowane, jak wszystkie rzeczy powinny być.

Supernowe „pair-instability” mogą teoretycznie zajść w ostatnich momentach życia wybitnie masywnej gwiazdy, w której reakcje termojądrowe doprowadzają do emisji fotonów gamma (tj. bardziej energetycznymi niż promieniowanie X). Kiedy foton o odpowiednio wysokiej energii zderzy się z materią gwiazdy, nastąpi całkowita zamiana energii fotonu w materię: powstanie para elektron-pozyton, a całe ciśnienie promieniowania związane z istnieniem fotonu… Zniknie. Proces następuje kaskadowo i bardzo szybko. Gwiazda traci większość wewnętrznego ciśnienia praktycznie na pstryknięcie palców.

Reklama
Pair-instability supernowa
Wizualizacja rozpadu fotonów produkowanych w gwieździe na elektrony i pozytony. W wyniku spadku ciśnienia promieniowania grawitacja zaczyna ściskać gwiazdę, co skutkuje wzmożeniem reakcji termojądrowych. Powstaje superjasna supernowa.
Obraz dzięki uprzejmości NASA/CXC/M. Weiss

Rzecz jasna, w tej chwili grawitacja ma swoje dwie minuty. Gwiazda ulega gwałtownemu zgnieceniu, przez co rośnie jej temperatura i ciśnienie. To z kolei potęguje procesy termojądrowe, które dosłownie eksplodują w obrębie całej gwiazdy. Powstaje superjasna supernowa, a jej pozostałością, najwyraźniej, jest czarna dziura o masie większej niż 50 mas Słońca. Tak przynajmniej mówi jeden ze scenariuszy.

Czy superjasna supernowa faktycznie powstaje w procesie niestabilności produkcji par? Jak wygląda sprawa jej metaliczności? Czy prędkość rotacji gwiazdy ma jakiś wpływ na produkcję średniomasywnych czarnych dziury? Wygląda na to, że w miejscu pustyni czarnych dziur odkrywamy prawdziwą puszkę Pandory. Pozostaje tylko mieć nadzieję, że AT2021sew pomoże odpowiedzieć na chociaż część pytań. Pytań, których jeszcze dziesięć lat temu nie wiedzieliśmy, że będziemy umieli zadać.


Materiały źródłowe:
– Superjasna supernowa sklasyfikowana: https://www.astronomerstelegram.org/?read=14934
– Hipernowa z 2018: https://www.astronomerstelegram.org/?read=11727
– obserwacje AT2021sew: https://www.wis-tns.org/object/2021sew
– strona ZTF: https://www.ztf.caltech.edu
– pustynia czarnych dziur: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/ab3583