Hvordan formler binærstjernesystemer? Astronomer Endelig Løs Mysteriet

En spektakulær supernova-eksplosjon, mer enn en milliard ganger lysere enn vår sol, markerte fødselen til en nøytronstjerne som omkranser sin varme og tette følgesvenn. Nå er disse to tette restene bestemt til å spiral inn i hverandre på omtrent en milliard år, til slutt fusjonere og gi noen av de tyngst kjente elementene i universet.

Eksplosjonen skjedde i en galakse lik vår egen Milky Way, nesten 920 millioner lysår unna. Et lite teleskop ved Palomar observatorium i California oppdaget de første fotene fra supernovaen - kalt "iPTF 14gqr" - bare timer etter eksplosjonen, da det var mer enn 10 ganger varmere enn overflaten av vår sol. Etter hvert som supernovaens lysstyrke utviklet seg de neste to ukene, brukte et internasjonalt team av astronomer dataene til å spore eksplosjonens opprinnelse til en massiv stjerne med en radius på 500 ganger solens.

Men det var ikke bare den gigantiske størrelsen på stjernen som gjorde denne oppdagelsen spesielt bemerkelsesverdig. Det som var uvanlig var at stjernen også syntes å være den letteste av alle kjente eksploderende gigantiske stjerner. Denne massive stjernen hadde blitt ranet av nesten all sin masse, kanskje av en tett bane-partner. Da den eksploderte, etterlot den en nyfødt nøytronstjerne som fortsatte å bane sin følgesvenn.

Forstå dannelsen av binære stjernesystemer, hvor to super tette stjernekretsen hverandre alltid har vært et puslespill. Disse flyktige supernovaene som gir disse tette binære stjernesystemene er både sjeldne og vanskelige å finne, fordi de raskt vises og forsvinner i himmelen - omtrent fem ganger raskere enn en typisk supernova.

Denne første observasjonen av en "ultra-strippet" supernova, som mine kolleger og jeg detaljer i en ny studie, gir ikke bare innsikt i dannelsen av disse systemene, men viser også de siste stadiene i livet til disse unike massive stjernene som har vært plundret av all sin masse før de dør.

Løse et langvarig mysterium

Stjerner født med mer enn åtte ganger solens masse går raskt ut av drivstoff og bukker seg for tyngdekraften i slutten av livet - kollapser på seg selv og eksploderer i en supernova. Når dette skjer, er alle stjernens ytre lag - noen ganger solens masse - spredt.

Da jeg begynte å jobbe med min rådgiver, besluttet Mansi Kasliwal, som ny kandidatstudent, å studere supernovaer som raskt forsvinner i lysstyrke. Mining databasen av hendelser oppdaget av iPTF, kom jeg over iPTF 14gqr, en raskt fading supernova som ble oppdaget mer enn et år før, men hvis ekte fysisk natur forblir mystisk.

Dataene var forvirrende fordi våre foreløpige modeller antydet denne supernovaen var forårsaket av en gigantisk massiv stjernes død, men eksplosjonen var i seg selv ganske uklar. Det kastet ut bare en femtedel av solens masse, mens energien bare var en tiendedel av en typisk supernova. Hvor var alt manglende saken og energi?

Tallene angir at den eksploderende stjernen må ha blitt strippet av nesten all sin opprinnelige masse før eksplosjonen. Men hva kunne ha stjålet så mye fra denne gigantiske stjernen? Kanskje en usett binær følgesvenn?

Jeg begynte å lese om sjeldne binære stjernescenarier, da jeg først kom over ideen om "ultra-strippede supernovaer".

Ultra-Stripped Supernovae

Når en massiv stjerne har en tett og nærliggende binær følgesvennsstjerne, kan den intense tyngdekraften av følgesvennen rane sin intetanende nabo til nesten all sin masse før den eksploderer - dermed begrepet "ultra-strippet".

Den ultra-strippede supernova etterlater en nøytronstjerne, et raskt spinnende tett stjernelegg som inneholder litt mer enn massen av solen, som er proppet inn i et område av størrelsen på sentrum av Los Angeles. Denne nøytronstjernen er fanget i en tett bane rundt sin følgesvenn. Den følgesvenn er muligens en annen nøytronstjerne, eller til og med en hvit dverg eller et svart hull som ble dannet av en massiv stjerne som døde flere millioner år før sin følgesvenn.

Slike binære systemer har vært et viktig felt for astrofysisk undersøkelse i flere tiår. Vi har direkte observert mange slike systemer i vår egen galakse med optiske og radioteleskoper. Den første indirekte gjenkjenningen av gravitasjonsbølger kom fra observasjoner av et dobbeltnutronstjernesystem. Mer nylig ble det oppdaget den første fusjonen av et dobbeltnutronstjernesystem både ved avansert LIGO og i elektromagnetiske bølger i 2017, noe som gir astronomer en unik innsikt i tyngdekraftenes arbeid og opprinnelsen til tunge elementer i universet.

Likevel har det lenge vært et mysterium hvordan binære stjerner danner. Vi vet at nøytronstjerner dannes i supernovaeksplosjoner. Men for å få binære nøytronstjerner trenger du en binær av to massive stjerner å begynne. Det krever imidlertid en presis balanse mellom krefter for å sikre at de binære nøytronstjernene forblir stabile nok til å overleve de to voldsomme eksplosjonene som skaper systemet.

Flere linjer med indirekte bevis tyder på at de dannes i en svært sjelden klasse av svake, ultra-strippede supernova-eksplosjoner. Men disse svake eksplosjonene hadde hittil rømt direkte gjenkjenning. Dette første observasjonsbeviset for en ultra-strippet supernova åpner en mulighet til å forstå dannelsen av stramme nøytronstjern binære systemer.

Skanner himlene for spedbarnseksplosjoner

Vår supernova ble oppdaget under den mellomliggende Palomar Transient Factory (iPTF) undersøkelsen. Den automatiserte iPTF-undersøkelsen brukte et stort kamera montert på et 1 meter stort teleskop for å ta bilder av himmelen hver kveld og skanne etter "nye stjerner". En søkeprioritet jaktet på spedbarns supernovaer og identifiserte opprinnelsen.

Når en ny stjerne er funnet, varsler undersøkelsesroboten omgående astronomer som befinner seg i en helt annen tidssone for å følge opp. Denne strategien, sammen med et globalt nettverk av teleskoper, tillot oss å fange flere eksploderende stjerner i aksjon og forstå hva de så ut like før de eksploderte. Faktisk var det en heldig tilfeldighet å finne en sjelden ultra-strippet supernova øyeblikk etter eksplosjonen!

Denne enkeltbegivenheten har gitt oss den første innsikt i masse og energi som slippes ut i slike eksplosjoner, livssyklusen til massive stjerner og dannelsen av binære stjerner. Likevel er det mye mer å lære av en større utvalg av disse hendelsene.

Med Zwicky Transient Facilty - etterfølgeren til iPTF som kan skanne skiene 10 ganger raskere - og et globalt nettverk av teleskoper kalt GROWTH, håper vi å oppleve flere ultra-strippede eksplosjoner, og begynner en ny episode i vår forståelse av disse unike stjernesystemene.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation av Kishalay De. Les den opprinnelige artikkelen her.