Som astronomiska fenomen är supernovaer bland de mest fascinerande och spektakulära. Denna process inträffar när vissa typer av stjärnor når slutet på sin livslängd, där de exploderar och kastar bort sina yttre lager. Tack vare generationer av studier har astronomer kunnat klassificera de flesta observerade supernovorna i en av två kategorier (typ I och typ II) och bestämma vilka typer av stjärnor som är förfäderna för varje.
Men hittills har astronomer inte kunnat bestämma vilken typ av stjärna som så småningom leder till en Type Ic-supernova - en speciell klass där en stjärna genomgår kärnkollaps efter att ha blivit avskalad av väte och helium. Men tack vare ansträngningarna från två team av astronomer som porerade över arkivdata från Hubble rymdteleskop, forskare har nu hittat den länge eftertraktade stjärnan som orsakar denna typ av supernova.
I grunden tros supernovaer av typ I vara resultatet av binära system som består av en vit dvärg och en följeslagare som kretsar nära varandra. Med tiden kommer den vita dvärgen att börja sifonera material från följeslagaren tills en kritisk massa har uppnåtts. Den överpackade vita dvärgen upplever sedan kärnkollaps och exploderar i ett otroligt ljust utbrott av material och energi.
När det gäller super-supernovaer av typen Ic, som står för cirka 20% av de massiva stjärnorna som exploderar från kärnkollaps, har stjärnan tappat sitt yttre väteskikt och det mesta av sitt helium. Dessa stjärnor tros vara bland de mest massiva kända - med minst 30 solmassor - och förblir ljusa även efter att de har tappat sina yttre lager. Det har därför varit ett mysterium varför astronomer inte har kunnat upptäcka en innan den gick supernova.
Lyckligtvis observerades 2017 en Super Ic-supernova i ett kluster av unga stjärnor i spiralgalaxen NGC 3938, som ligger ungefär 65 miljoner ljusår bort. Den första upptäckten gjordes av astronomer vid Tenagra Observatories i Arizona, men de två teamen av astronomer vände sig till Hubble för att kartlägga den exakta platsen för källan.
Det första teamet, ledat av Schuyler D. Van Dyk - en äldre forskningsforskare vid Caltechs infraröda process- och analyscenter (IPAC) - avbildade den unga supernova i juni 2017 med Hubbles Wide Field Camera 3 (WFC 3). De använde sedan denna bild för att lokalisera kandidatföräldern i arkiv Hubble bilder som togs av NGC 3938 i december 2007.
Det andra laget, under ledning av Charles Kilpatrick från University of California Santa Cruz, observerade supernova i juni 2017 i infraröda bilder med ett av de 10 m teleskopen vid W.M. Keck Observatory på Hawaii. Teamet analyserade sedan samma arkiv Hubble foton som Van Dyks team för att avslöja den möjliga källan.
Båda lagen publicerade studier som indikerade att förfäderna var troligtvis en blå supergiant som ligger i en av NGC 3938s spiralarmar. Som Van Dyk antydde i ett nyligen pressmeddelande från NASA, ”Att hitta en god tro förälder till en supernova Ic är ett stort pris för förfäder som söker. Vi har nu för första gången ett tydligt upptäckt kandidatobjekt. ”
Det faktum att supernova (benämnd SN 2017ein) upptäcktes i första hand var också ganska lyckligt, som Kilpatrick förklarade:
”Vi hade turen att supernova var i närheten och väldigt ljus, ungefär 5 till 10 gånger ljusare än andra Type Ic supernovor, vilket kan ha gjort förfäderna lättare att hitta. Astronomer har observerat många supernovor av typen Ic, men de är alltför långt borta för att Hubble ska lösa. Du behöver en av dessa massiva, ljusa stjärnor i en närliggande galax för att gå av. Det ser ut som att de flesta supernovor av typen Ic är mindre massiva och därför mindre ljusa, och det är anledningen till att vi inte har hittat dem. "
Baserat på deras bedömning av förfäderna, båda teamen erbjöd två möjligheter för källans identitet. Å ena sidan föreslog de att det kunde vara en enda rejäl stjärna på mellan 45 och 55 solmassor som brände mycket ljusa och varma, vilket fick den att bränna av sina yttre lager av väte och helium innan gravitations kollaps.
En andra möjlighet var att förfäderna var ett massivt binärt system som bestod av en stjärna som var mellan 60 och 80 solmassor och en följeslagare som var 48 solmassor. I det här scenariot avskaffades den mer massiva stjärnan av dess väte- och heliumlager av sin följeslagare innan den exploderade som en supernova.
Den andra möjligheten var lite överraskande, eftersom det inte är vad astronomer förväntar sig baserat på nuvarande modeller. När det gäller supernovaer av typ I, förväntar sig astronomer att de binära systemen består av stjärnor med lägre massa, vanligtvis en neutronstjärna med en följeslagare som har lämnat sin huvudsekvens och expanderat till en röd jätte.
Upptäckten av denna stamfader har därför löst något som ett mysterium för astronomer. Under en tid har de vetat att Type Ic-supernovaer var brist på väte och helium och inte var säker på varför. En möjlig förklaring var att de strippades av starka vindar av laddade partiklar. Men inga bevis för detta har någonsin hittats.
Den andra möjligheten involverade nära kretsade binära par där en stjärna strippades från sina yttre lager innan den exploderade. Men i det här fallet upptäckte de att stjärnan som avlägsnades av material fortfarande var tillräckligt massiv för att den så småningom exploderade som en Type Ic-supernova.
Som Ori Fox, en forskare vid Space Telescope Science Institute (STSI) i Baltimore och en medlem av Van Dyks team, förklarade:
”Att ta bort dessa två scenarier för att producera supernovor av typ Ic påverkar vår förståelse för stjärnutveckling och stjärnbildning, inklusive hur massorna av stjärnor fördelas när de föddes, och hur många stjärnor som bildas i interagerande binära system. Och det är frågor som inte bara astronomer som studerar supernovor vill veta, utan alla astronomer är ute efter. ”
De två lagen indikerade också att de inte kommer att kunna bekräfta identiteten på föddstjärnan förrän supernovaen försvinner om cirka två år. För närvarande hoppas de kunna använda NASA: s James Webb rymdteleskop (JWST), som är planerad att lanseras 2021, för att se om föräldern fortfarande är mycket ljus (som förväntat) och göra noggrannare mätningar av dess ljusstyrka och massa.
Denna senaste upptäckt fyller inte bara i några av hålen i vår kunskap om hur vissa stjärnor beter sig när de når slutet av sin huvudsekvensfas, den ger också astronomer en möjlighet att lära sig mer om bildandet och utvecklingen av stjärnor i vårt universum . När nästa generations teleskop blir tillgängliga under de kommande åren hoppas astronomer få viktig insikt i dessa frågor.
Studien ledd av Van Dyk, med titeln "SN 2017ein och den möjliga första identifieringen av en typ Ic Supernova Progenitor" dök upp i The Astrophysical Journal i juni. Den andra studien, "En potentiell stamfader för Type Ic supernova 2017ein", dök upp i Månadsmeddelanden från Royal Astronomical Society det senaste oktober.
