Το «Crazy» Supernova μοιάζει με ένα νέο είδος αστρικού θανάτου
Τον Σεπτέμβριο του 2014, οι αστρονόμοι είδαν ένα σημείο θαμπής φωτός σε έναν μικρό γαλαξία μισό δισεκατομμύριο έτη φωτός μακριά. Έμοιαζε με ένα συνηθισμένο σουπερνόβα - ένα ετοιμοθάνατο αστέρι που εξερράγη και του οποίου το φως έσβηνε τώρα. Όμως τον επόμενο Ιανουάριο, ο Zheng "Andrew" Wong, ασκούμενος φοιτητής στο Παρατηρητήριο Las Cumbres στη Goleta της Καλιφόρνια, παρατήρησε ότι το φως γινόταν και πάλι λαμπρό.
Όταν έδειξε αυτή την περίεργη αλλαγή στον προϊστάμενό του, τον αστρονόμο Iair Arcavi, «τα μάτια του μεγάλωσαν», θυμάται ο Wong. Ο Arcavi σύντομα έπεισε τον εαυτό του ότι η πηγή φωτός, που ονομάζεται iPTF14hls, δεν πρέπει να είναι τελικά σουπερνόβα αλλά μάλλον ένα κοντινό παλλόμενο (ή «μεταβλητό») αστέρι που υπερτίθεται από σύμπτωση στον μακρινό γαλαξία. Ο Arcavi ήταν τόσο σίγουρος, είπε, «Θα έβαζα στοίχημα το αυτοκίνητό μου ότι ήταν ένα μεταβλητό αστέρι». Ωστόσο, βοήθησε τον Wong να πάρει ένα φάσμα iPTF14hls, μετρώντας το χρώμα του για να αποκαλύψει τη χημική του σύνθεση. Προς έκπληξή τους, το φάσμα αποδείχθηκε ότι είναι ακριβώς αυτό ενός σουπερνόβα Τύπου ΙΙ-Ρ — το πιο κοινό και κατανοητό είδος αστέρα που εκρήγνυται, πεθαίνει, με τεράστια μάζα. Όταν ένας σουπερνόβα τύπου II-P εκρήγνυται, η φωτεινότητά του αυξάνεται, υψώνεται (εξ ου και το "P") για περίπου 100 ημέρες και μετά μειώνεται μέχρι να τελειώσει. «Δεν είχαμε δει ποτέ μια τέτοια σουπερνόβα να πέφτει και να ανέβει ξανά», είπε ο Arcavi, ο οποίος, μαζί με 52 συνεργάτες, ανέφερε την ανακάλυψη του iPTF14hls σήμερα στο περιοδικό Nature . "Τότε καταλάβαμε ότι είχαμε κάτι πολύ ενδιαφέρον."
Από εκείνη τη στιγμή και μετά, το παγκόσμιο δίκτυο ρομποτικών τηλεσκοπίων του Las Cumbres παρακολουθούσε συνεχώς τα iPTF14hls καθώς συνέχιζε να φωτίζει και να χαμηλώνει. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ένα άλλο περίεργο πράγμα για το σουπερνόβα:Η μετρημένη ταχύτητα του εκρηκτικού υλικού, η οποία κανονικά μειώνεται με την πάροδο του χρόνου καθώς πιο αργά πράγματα βαθύτερα στο σουπερνόβα γίνονται ορατά, παρέμεινε μυστηριωδώς υψηλή. "Αυτό είναι ένα τρελό SN", πληκτρολόγησε ο Arcavi στο αρχείο καταγραφής σχολίων για το iPTF14hls στις 16 Μαΐου 2015, περισσότερες από 250 ημέρες μετά την ανακάλυψή του. "Κρίμα που σύντομα θα πάει πίσω από τον ήλιο."
Σίγουρα τότε, σκέφτηκαν οι επιστήμονες, ότι θα είχε φύγει οριστικά. Αλλά όταν ο Σεπτέμβριος κύλησε και το iPTF14hls ξεπήδησε πίσω από τον ήλιο, άστραψε. Στην πραγματικότητα, το φως ήταν πιο φωτεινό από πριν.
"Κάποιος παίζει μαζί μας εκεί ψηλά", γράφει ο Ofer Yaron, αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann στο Ισραήλ, ο οποίος είναι μέρος ενός παγκόσμιου έργου σουπερνόβα που περιλαμβάνει την ομάδα του Παρατηρητηρίου Las Cumbres.
Η ομάδα Las Cumbres στόχευε να παρακολουθήσει 500 σουπερνόβα για τρία χρόνια ως μέρος μιας ευρύτερης αποστολής αστρονόμων για την ανάπτυξη μιας ταξινόμησης θανάτων αστέρων. Ο στόχος είναι «να συνθέσουμε κάποια εικόνα του τι κάνουν όλα τα διαφορετικά αστέρια διαφορετικής μάζας και μεταλλικότητας και περιστροφικού ρυθμού όταν πεθαίνουν», δήλωσε ο Stan Woosley, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz. Ενώ τα αστέρια με ποικιλία κήπου, όπως ο ήλιος, αναβοσβήνουν μέσα και έξω από την ύπαρξη σχετικά ασήμαντα, τα τεράστια αστέρια - το είδος που γίνονται σουπερνόβα - είναι οι κινητήρες του σύμπαντος, που αναδεύουν και επεξεργάζονται την ύλη στη ζωή και τον θάνατο. Οι εκρήξεις αυτών των σπάνιων άστρων, που περιέχουν τουλάχιστον οκτώ έως και εκατοντάδες ηλιακές μάζες, σφυρηλατούν μέταλλα (αυτό που οι αστρονόμοι αποκαλούν όλα τα στοιχεία βαρύτερα από το υδρογόνο και το ήλιο) και εκτοξεύουν υλικό στον περιβάλλοντα γαλαξία, γεννώντας την επόμενη, πιο μεταλλική γενιά των αστεριών. Εν τω μεταξύ, οι πυρήνες τους μπορεί να καταρρεύσουν σε μαύρες τρύπες, εξαιρετικά πυκνά αστέρια νετρονίων, μαγνητισμένα αστέρια νετρονίων γνωστά ως μαγνήτες ή περιστρεφόμενους μαγνήτες που ονομάζονται πάλσαρ — αλλά ποια μονοπάτια καταλήγουν σε ποια αποτελέσματα και υπάρχουν άλλα; Η γνώση του πλήρους φάσματος των αστρικών μοιρών είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της γαλαξιακής εξέλιξης. Ωστόσο, πρόσφατα ευρήματα όπως αυτό από το Las Cumbres υποδηλώνουν ότι τα αστέρια πεθαίνουν με περισσότερους τρόπους από ό,τι γνώριζε κανείς.
Οι ερευνητές παρακολούθησαν αθόρυβα τα iPTF14hls για τα επόμενα δύο χρόνια, συζητώντας την περίεργη όρασή τους με μερικούς εκλεκτούς θεωρητικούς με την ελπίδα ότι κάποιος θα είχε ιδέα για το τι είχαν βρει. Προέκυψαν ιδέες - η γέννηση, κατά τη διάρκεια ενός σουπερνόβα, ενός μαγνητάριου που εκπέμπει φωτεινές λάμψεις που ονομάζονται εκρήξεις ακτίνων γάμμα, ίσως, ή μια νεοσχηματισμένη μαύρη τρύπα που καταπίνει το έναστρο υλικό γύρω της - αλλά τίποτα δεν λειτούργησε αρκετά. «Μια θεωρία θα μπορούσε να εξηγήσει κάποια πράγματα, αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα, και μετά μια άλλη θεωρία μπορεί να εξηγήσει αυτό το άλλο πράγμα, αλλά μετά υπάρχει ένα πρόβλημα», είπε ο Άντι Χάουελ, αστρονόμος στο Παρατηρητήριο Λας Κάμπρες και στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Σάντα Μπάρμπαρα, ο οποίος ηγείται της ομάδας σουπερνόβα Las Cumbres. "Δεν ξέρουν τίποτα για αυτό."
Αυτό που γνωρίζουν οι θεωρητικοί είναι ότι τα τεράστια αστέρια συνήθως γίνονται σουπερνόβα όταν οι πυρήνες τους τελειώνουν από πυρηνικό καύσιμο. Η πτώση της πίεσης της ακτινοβολίας προς τα έξω προκαλεί τη βαρυτική κατάρρευση του πυρήνα (δημιουργώντας μια μαύρη τρύπα ή ένα αστέρι νετρονίων) και η εσωτερική συστολή δημιουργεί ένα εξερχόμενο ωστικό κύμα που σπρώχνει τα εξωτερικά κελύφη υλικού του αστεριού στο διάστημα, μαζί με την εκτυφλωτική ακτινοβολία. Με τους σουπερνόβα τύπου II-P, το αστέρι "προγονικό" περιέχει αρκετό υδρογόνο στα εξωτερικά του κελύφη για να ιονιστεί από το κρουστικό κύμα σουπερνόβα και να γίνει αδιαφανές. Αφήνει σταθερά το φως να βγαίνει καθώς απιονίζεται, με αποτέλεσμα το χαρακτηριστικό οροπέδιο 100 ημερών σε φωτεινότητα. Το υδρογόνο και ο σίδηρος που ανιχνεύθηκαν στο φάσμα του iPTF14hls ταίριαζαν ακριβώς με αυτό του II-P, και παρόλα αυτά, ο Howell είπε, «Πώς θα έμοιαζε ένα II-P την 30ή ημέρα, αυτό το περίεργο μοιάζει την ημέρα 300». Το προγονικό του άστρο πρέπει να ήταν ασυνήθιστα τεράστιο, με επίπεδα υδρογόνου που δεν έχουν ξαναδεί ποτέ, για να λάμπει για εκατοντάδες ημέρες, αλλά αυτό δεν θα εξηγούσε ακόμα τη μυστηριώδη λάμψη και το θαμπό του ή την αμείωτη ταχύτητα του εκρηκτικού υλικού του. Όποια κι αν ήταν, έμοιαζε με σουπερνόβα τύπου II-P σε σύνθεση, αλλά δεν συμπεριφέρθηκε σαν ένα.
Τον Σεπτέμβριο του 2016, ο Howell παρουσίασε τα ευρήματα του Las Cumbres σε ένα συνέδριο σουπερνόβα στο Garching της Γερμανίας, σε ένα κοινό που περιλάμβανε τον Peter Nugent, έναν αστρονόμο που βοηθά στη λειτουργία της έρευνας ουρανού Intermediate Palomar Transient Factory που αρχικά εντόπισε iPTF14hls. Καθώς ο Nugent και οι άλλοι ερευνητές σουπερνόβα απορρόφησαν τις λεπτομέρειες σχετικά με τον απίστευτα μακρύ σουπερνόβα, σκέφτηκαν μια πολύ γνωστή θεωρία που αναπτύχθηκε από τον Woosley, τον θεωρητικό της Santa Cruz, και άλλους. Ο Woosley υποθέτει ότι αστέρια με αρχικές μάζες στην περιοχή από 70 έως 140 ηλιακές μάζες θα πεθάνουν σε σταδιακές εκρήξεις που ονομάζονται «υπερνόβα αστάθειας παλμών» (PPISNs), λόγω ενός κβαντικού φαινομένου που δρα σε τεράστια κλίμακα. Αντί να υποστούν κατάρρευση πυρήνα, αυτά τα τεράστια αστέρια καίγονται τόσο καυτά που η ακτινοβολία τους μετατρέπεται αυθόρμητα σε ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, υποδηλώνουν οι υπολογισμοί. Καθώς η πίεση της ακτινοβολίας χάνεται στη μετάβαση από το φως στην ύλη, το αστέρι συστέλλεται ξαφνικά. όταν η συμπίεση προκαλεί την ανάφλεξη του καυσίμου στα εξωτερικά κελύφη του άστρου, η συστολή αντιστρέφεται και το αστέρι εκρήγνυται. Στη συνέχεια συστέλλεται, μετά εκρήγνυται, σε ένα σταμάτημα.
Τα PPISN δεν έχουν δει ποτέ οριστικά στο παρελθόν, αλλά οι θεωρητικοί πιστεύουν ότι θα έπαιζαν με διαφορετικούς τρόπους, ενώ μοιράζονταν πάντα ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα:Τα αστέρια θα εκρήγνυνται ακανόνιστα κατά τη διάρκεια ημερών, μηνών, δεκαετιών, αιώνων ή ακόμα και χιλιετιών, πριν από τον πυρήνα τους. έχουν μειωθεί αρκετά σε μέγεθος ώστε να σταματήσουν να αντιμετωπίζουν την αστάθεια του κβαντικού ζεύγους, οπότε και τελικά καταρρέουν βαρυτικά σε μαύρες τρύπες. (Εάν η θεωρία του Woosley είναι σωστή, θα πρέπει να υπάρχει απουσία μαύρων οπών σε ένα ορισμένο εύρος μάζας, καθώς τα αστέρια που ξεκινούν σε αυτό το εύρος συρρικνώνονται μέσω εκρήξεων παλμικής αστάθειας ζεύγους. Οι αστρονόμοι αναζητούν αυτό το "κενό μάζας" της μαύρης τρύπας με Το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ.) Σε θάνατο από το PPISN, κάθε μια από τις πρόδρομες εκρήξεις εκτοξεύει τη μάζα πολλών ήλιων — λόξυγκας που δημιουργούν σύννεφα συντριμμιών γύρω από το αστέρι και που μοιάζουν με τους ίδιους τους μίνι σουπερνόβα. Καθώς τα εκτοξευόμενα κελύφη συναντούν το ένα το άλλο, οι εκρήξεις φαίνονται σε εμάς ως προσωρινή φωτεινότητα και θαμπάδα, όπως στην φωτεινή υπογραφή του iPTF14hls.
Στο Garching, ο Nugent σκέφτηκε να ελέγξει το ιστορικό αρχείο για ενδείξεις πρόδρομων εκρήξεων από το προγονικό αστέρι του iPTF14hls. Έψαξε ένα τεράστιο αρχείο παλιών φωτογραφικών πινακίδων από το Palomar Optical Sky Survey που γνώριζε ότι είχαν ψηφιοποιηθεί και τεθεί στο διαδίκτυο. Δεν υπήρχε κανένα σημάδι iPTF14hls σε μια εικόνα από την έρευνα της Palomar το 1993, την οποία έλεγξε πρώτος ο Nugent. Αλλά όταν κοίταξε ένα παλαιότερο, πιο κοκκώδες φωτογραφικό πιάτο από την έρευνα του 1954, εκπληκτικά, ένα σημείο φωτός έλαμψε στη θέση του. Τα σουπερνόβα είναι σπάνια, και η πιθανότητα δύο διαφορετικά τεράστια αστέρια να εκραγούν μέσα σε δεκαετίες στον ίδιο μικρό γαλαξία είναι μικρή. Είναι δύσκολο να εκτιμηθεί η στατιστική σημασία ενός σήματος σε μια ψηφιοποιημένη εικόνα μιας φωτογραφικής πλάκας, είπε ο Nugent. «Αλλά το μάτι σου δεν λέει ψέματα. Το κοιτάς και λες, "Εντάξει, φαίνεται ακριβώς σωστό."
Οι επαναλαμβανόμενες εκρήξεις υποδηλώνουν ότι το iPTF14hls μπορεί πράγματι να είναι ένας σουπερνόβα αστάθειας παλμικού ζεύγους, το αποτέλεσμα αυθόρμητων κβαντικών μετατροπών, μέσω του E του Αϊνστάιν =mc , από την ενέργεια στην ύλη, και πάλι πίσω. Αν ναι, η ανακάλυψη θα αποδείκνυε την τολμηρή υπόθεση PPISN και θα προσθέσει έναν σημαντικό κλάδο στην ταξινόμηση αστεριών-θανάτων. Αλλά παρόλο που οι Arcavi, Howell και οι συνάδελφοί τους Las Cumbres προσφέρουν την ιδέα PPISN ως την κύρια εξήγηση για το iPTF14hls στην εργασία τους, η θεωρία δεν είναι χωρίς προβλήματα. «Η εξήγηση που αναφέρουμε στη Φύση Το χαρτί δεν λειτουργεί πραγματικά», είπε ο Arcavi, αναφερόμενος στην τρέχουσα θεωρία PPISN, «άρα ακόμα δεν γνωρίζουμε πραγματικά».
Πρώτον, η τεράστια ενέργεια που απελευθερώθηκε κατά τη διάρκεια των γνωστών εκρήξεων του iPTF14hls (και μπορεί να υπήρχαν περισσότερες) ήδη ξεπερνά τις προβλέψεις του Woosley για το πόση ενέργεια μπορεί να συγκεντρώσει ο μηχανισμός αστάθειας του ζεύγους. Η θεωρία δυσκολεύεται επίσης να υπολογίσει το σημαντικό υδρογόνο στο φάσμα του περίεργου σουπερνόβα - προηγούμενες εκρήξεις θα έπρεπε να είχαν εκτοξεύσει το περίβλημα υδρογόνου του άστρου στο διάστημα - για να μην αναφέρουμε την παράξενα υψηλή ταχύτητα του υδρογόνου, η οποία δεν δείχνει καμία συσχέτιση με τις αλλαγές στη φωτεινότητα. (Ο Woosley λέει ότι έχει «μια ιδέα» για το πώς να εξηγήσει τις μετρήσεις του υδρογόνου.)
Η ιδέα του PPISN δεν ταιριάζει απόλυτα με παρατηρήσεις, αλλά αυτό μπορεί απλώς να σημαίνει ότι οι ερευνητές πρέπει να βελτιώσουν τη θεωρία. Τα αστέρια εξελίσσονται με πολύ διαφορετικούς τρόπους και είναι υπολογιστικά απαιτητικά για μοντελοποίηση και πρόβλεψη. Συχνά οι θεωρητικοί μπορούν να κάνουν μόνο προσομοιώσεις σε υπολογιστή δισδιάστατων κομματιών αστεριών και να τις προεκτείνουν προσεκτικά σε τρεις διαστάσεις. Μπορεί να υποτιμούν την ενέργεια των PPISN.
Ένα από τα έμμεσα στοιχεία για τη θεωρία PPISN είναι η θέση του iPTF14hls σε έναν «νάνο» γαλαξία. Αυτά αποτελούνται κυρίως από υδρογόνο και ήλιο και περιέχουν λίγα από τα βαρύτερα επεξεργασμένα στοιχεία που είναι γνωστά ως μέταλλα. Οι φρέσκες πρώτες ύλες σε νάνους γαλαξίες επιτρέπουν να σχηματιστούν τεράστια αστέρια, όπως οι κολοκύθες σε γόνιμο έδαφος. Τα αστέρια μπορούν να φτάσουν το εύρος μάζας που απαιτείται για τον θάνατο λόγω της αστάθειας του παλμικού ζεύγους. Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι ακόμα κι αν το υπερ-μακρό σουπερνόβα τους δεν είναι ένα PPISN αλλά κάτι άλλο που δεν έχει ακόμη φανταστεί, αντικείμενα όπως αυτό μπορεί να ήταν πιο πυκνοκατοικημένα πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, όταν ακόμη και γαλαξίες σαν τον δικό μας ήταν πλούσιοι σε υδρογόνο και λιγότερο μεταλλικοί. «Πιθανώς στο πρώιμο σύμπαν αυτά ήταν πολύ πιο κοινά, αλλά είναι λίγο-πολύ εξαφανισμένα τώρα», είπε ο Χάουελ. "Άρα είναι δεινόσαυρος ή κάτι τέτοιο."
Τώρα που το iPTF14hls βρέθηκε και περιγράφηκε, παρόμοια αντικείμενα ενδέχεται να αρχίσουν να εμφανίζονται. Τα χαρακτηριστικά τους θα καθορίσουν σταδιακά μια νέα τάξη σουπερνόβα, είτε πρόκειται για PPISN είτε για κάτι άλλο. Η συνεχής παρακολούθηση από το παγκόσμιο δίκτυο τηλεσκοπίων του Παρατηρητηρίου Las Cumbres άνοιξε μια προσωρινή άποψη των σουπερνόβα, η οποία θα μπορούσε να επιφέρει πολλές περισσότερες εκπλήξεις.
Εξάλλου, το iPTF14hls δεν είναι το μόνο περίεργο σουπερνόβα που εμφανίστηκε τα τελευταία χρόνια. Οι αστρονόμοι εντόπισαν επίσης εξαιρετικά φωτεινούς λεγόμενους «υπερφωτεινούς» σουπερνόβα, των οποίων η αιτία και η προέλευση είναι επίσης άγνωστες. "Μερικά από αυτά είναι εξαιρετικά φωτεινά - 100 φορές πιο φωτεινά από τα συνηθισμένα σουπερνόβα", είπε ο Woosley. «Οπότε δεν είναι απλώς ρυτίδες σε ένα παλιό θέμα. είναι θηρία.»
Χίλιες μέρες μετά την ανακάλυψή του, το iPTF14hls τελικά ξεθωριάζει. Το φως του έχει εξασθενήσει στο ένα εικοστό της μέγιστης φωτεινότητάς του. Αλλά τα πράγματα θα μπορούσαν να επανέλθουν, είπαν οι επιστήμονες, καθώς το ωστικό του κύμα επεκτείνεται και συναντά κελύφη υλικού από προηγούμενες εκρήξεις του άστρου. "Αυτό που είδαμε το 1954 — θα μπορούσαν να περάσουν άλλα 20 χρόνια μέχρι να πέσει σε αυτό το κέλυφος", είπε ο Nugent.
