Zvezde eksplodirajo tudi ob nedeljah

V raziskavi, ki so jo vodili astronomi s Kalifornijskega inštituta za tehnologijo (Caltech) in v kateri je sodelovala tudi dr. Tanja Petrushevska, so odkrili nenavadno supernovo. Kot poročajo v članku, objavljenem v reviji Science, so odkrili »ultraslečeno« supernovo, ki je sodeč po zbranih podatkih lahko primer nastanka sistema dveh nevtronskih zvezd, v katerem se zvezdi gibljeta druga okoli druge na zelo majhni razdalji. Odkritje je še posebej pomembno v luči lanskega dogodka gravitacijskih valov GW170817, saj naj bi v takih dvojnih sistemih prihajalo do zlitja nevtronskih zvezd in nastanka gravitacijskih valov.

 


Zvezde so večinoma sestavljene iz dveh najenostavnejših kemijskih elementov, vodika in helija, in svetijo zaradi zlivanja atomskih jeder v njihovi sredici. Pri razvoju zvezd in njihovi končni usodi je ključna masa zvezde. Naše Sonce je razmeroma dolgočasna zvezda z majhno maso, ki bo čez približno 5 milijard let ugasnila. Zvezde z vsaj osemkrat večjo maso od Sonca pa imajo veliko bolj razburljivo življenje. Njihova sredica postane na kasnejših stopnjah razvoja dovolj vroča, da lahko zlivajo tudi jedra težkih elementov. Ko pa v sredici zmanjka jedrskega goriva, zvezda umre v siloviti eksploziji supernove. Pri tem se zvezdina sredica sesede in iz nje nastane bodisi nevtronska zvezda ali črna luknja. Ker so nevtronske zvezde in črne luknje zaradi lastne gravitacijske sile izredno močno stisnjene, jim pravimo »kompaktni objekti«.

Posebna vrsta eksplozije supernove, imenovana supernova s slečeno ovojnico, nastane ob kolapsu masivne zvezde, ki je deloma ali v celoti izgubila svojo vodikovo in helijevo ovojnico. Kako lahko masivna zvezda izgubi zunanje plasti? To se zgodi zaradi njenega zvezdnega vetra, ki »odpihuje« snov iz ovojnice v okolico, ali pa, ker ima v bližini spremljevalno zvezdo. Z njo sta zaradi medsebojne gravitacijske sile ujeti v ples okoli skupnega težišča in tvorita dvojni sistem zvezd. Če sta zvezdi zelo blizu, lahko gravitacijska sila ene vleče snov z druge – snov se pretaka med zvezdama.

V dvojnih sistemih, v katerih je ena od zvezd kompakten objekt (nevtronska zvezda ali črna luknja), lahko ta drugo zvezdo popolnoma sleče – odstrani vse njene zunanje plasti, tako da ostane le gola, kovinska sredica. Čeprav je težko nedvoumno identificirati take vrste eksplozij, so bile »ultraslečene« supernove predlagane kot način nastanka tesnih dvojnih nevtronskih zvezd. Zanesljiva detekcija in karakterizacija ultraslečenih supernov je tako posebno pomembna, saj so taki sistemi zadnjih nekaj let v središču zanimanja mednarodne astrofizikalne skupnosti. V njih lahko prihaja do zlitja dveh nevtronskih zvezd in nastanka gravitacijskih valov. Lanskega avgusta so detektorji Ligo/Virgo prvič zaznali gravitacijske valove iz takega zlitja – prelomni dogodek so poimenovali GW 170817, pri njegovem opazovanju pa so sodelovali tudi raziskovalci Centra za astrofiziko in kozmologijo Univerze v Novi Gorici (Znanost, 19. oktobra 2017).
 

Odkritje supernove iPTF14gqr

Supernova z oznako iPTF14gqr leži na obrobju skoraj milijardo svetlobnih let oddaljene spiralne galaksije IV Zw 155. Odkrita je bila 14. oktobra 2014 v okviru projekta Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), ki je trajal od leta 2013 do 2017 in pri katerem sem sodelovala tudi sama. Projekt je uporabljal popolnoma avtomatiziran teleskop z zrcalom premera 1,2 metra oziroma 48 palcev (od tod oznaka teleskopa – P48), ki stoji na observatoriju Palomar v Kaliforniji. Teleskop je bil opremljen s kamero, ki je pokrivala zorno polje velikosti 7,3 kvadratne stopinje. Vsako jasno noč je vsaj dvakrat poslikal izbrane dele neba. S primerjavo posnetkov je iskal nove, prehodne (tranzientne) pojave na nebu. Posnetke je analiziral algoritem za detekcijo objektov in klasifikacijo kandidatov za nove objekte, ki je deloval na temelju strojnega učenja in je ločil prave astrofizikalne izvore od lažnih. Preliminarna selekcija med pravimi in lažnimi izvori je bila ključnega pomena, saj je v kopici kandidatov velika večina detekcij lažnih – so posledica kozmičnih delcev, napak na opremi in podobno.



Avtomatična analiza podatkov z iPTF je omogočala identifikacijo pravih tranzientnih izvorov v desetih minutah po tem, ko so bile slike posnete. Prave izvore, ki so jih zaznali dvakrat na kalifornijsko noč in so po svojih lastnostih ustrezali supernovam, so nemudoma pregledali astronomi v Evropi, kjer je bil takrat dan. Ti tako imenovani človeški skenerji so izbrali zanimive objekte in sprožili sledilna oziroma dodatna opazovanja z večjimi teleskopi in drugimi instrumenti, zlasti spektroskopi. V veliko pomoč pri klasifikaciji tranzientnih izvorov je namreč, če poznamo spekter objekta (da izvemo ne samo, koliko svetlobe oddaja, ampak tudi, kakšnih valovnih dolžin oziroma barv je ta svetloba). V okviru projekta iPTF je bilo mogoče detektirati in klasificirati supernove in druge tranzientne objekte v enem dnevu po prvi detekciji. Hitrost je pri tem ključna, saj zgodnje stopnje eksplozije vsebujejo pomembne informacije o izvoru eksplozije in okolju, v katerem se je zgodila.

Kot članica kolaboracije iPTF sem v dobljenih podatkih iskala kandidate za supernove. Če sem našla izvor, ki je bil znanstveno zanimiv, sem s sodelavci sprožila opazovanja na enem od teleskopov v mednarodni mreži teleskopov, ki smo jih imeli na razpolago. Ko so bili pridobljeni dodatni podatki, sem analizirala spektre in klasificirala kandidate oziroma ugotavljala, ali gre za supernovo (in če da, kakšnega tipa) ali kaj drugega. Spektroskopske podatke supernove iPTF14gqr sem analizirala neko nedeljo, a to ni nič nenavadnega, saj supernove eksplodirajo tudi ob koncu tedna.
 

Poglobljeno razumevanje razvoja zvezd

Prvi spekter, ki sem ga analizirala, je bil posnet le nekaj ur po odkritju. Takoj je bilo jasno, da imamo opravka z nenavadno eksplozijo. Zato smo supernovo še nekaj naslednjih tednov opazovali z različnimi teleskopi, vse dokler ni ugasnila oziroma postala pretemna za opazovanje.

Količina energije, ki se je sprostila ob eksploziji, in razširjena ovojnica, bogata s helijem, sta kazali na nenavaden način nastanka te supernove. Modeli razvoja enojnih zvezd kakor tudi modeli dvojnih zvezd z nekompaktno masivno spremljevalko niso ustrezali opazovanim lastnostim. Edina možna razlaga za »ultraslečeno« izvorno zvezdo je bila, da ima v bližini kompaktno spremljevalko, ki ji je »ukradla« ovojnico.



Med eksplozijo supernove namreč umirajoča zvezda odvrže vso snov iz svoje ovojnice. Običajno je te snovi za nekaj mas Sonca. V tem primeru pa smo ugotovili, da je zvezda odvrgla le za petino mase Sonca snovi. Dejstvo, da je zvezda eksplodirala, pa je kazalo, da je morala v preteklosti imeti ovojnico, v kateri je bilo veliko več snovi, saj sicer njena sredica ne bi imela dovolj velike mase za sesedenje in posledično eksplozijo supernove. 

Edina znana možna razlaga nastanka supernove z izmerjenimi lastnostmi je, da je imela zvezda v bližini spremljevalko – nevtronsko zvezdo. In ker je ob eksploziji nastala še ena nevtronska zvezda, sta torej po eksploziji v tem sistemu dve nevtronski zvezdi, ki se gibljeta na zelo majhni razdalji druga okoli druge.

Za supernove, kakršna je iPTF14gqr, pričakujemo, da nastanejo v območjih galaksij, kjer se rojevajo nove zvezde. To so tipično rokavi spiralnih galaksij, konkretna supernova pa je precej oddaljena od spiralnih rokavov svoje galaksije. Vendar je podrobnejši pregled pokazal, da je ta galaksija pravzaprav v »bližnjem srečanju« z dvema drugima; to kaže, da bi lahko bili prisotni ostanki trka galaksij, v katerih bi bile ustrezne razmere za nastanek mladih zvezdnih sistemov. Tako je odkritje supernove te vrste na obrobju galaksije v skladu z našo interpretacijo.



Interpretacija iPTF14gqr kot ultraslečene supernove ima implikacije za širše razumevanje razvoja zvezd. Tesna dvojna nevtronska zvezda se razvije iz dvojnih sistemov masivnih zvezd, ki so v svojem življenju šli skozi nekaj faz prenosa snovi med zvezdama. Takšnemu sistemu pravimo interagirajoča dvojna zvezda. Na začetnih stopnjah razvoja, ko se ena zvezda že razvije v kompakten objekt, druga pa še ne, so taki sistemi že bili opaženi v našem lokalnem vesolju. Kasnejše stopnje, vključno z eksplozijo supernove, pa doslej še niso bile opažene. To je posledica redkosti takih sistemov, kratkega (na astrofizikalni skali) življenjskega časa njihovih končnih stopenj, ki je reda velikosti 10 milijonov let, in opazovalnih selekcijskih efektov, ki otežujejo njihovo detekcijo.

Dvojni sistemi, v katerih sta nevtronska zvezda in drug kompakten objekt precej vsaksebi, lahko nastanejo v neinteragirajočih dvojnih sistemih masivnih zvezd. Za ultraslečene supernove pa so napovedali, da naj bi bile edini način nastanka para nevtronskih zvezd, ki sta dovolj blizu, da se bosta zlili v doglednem času (spet na astrofizikalni skali, recimo približno v času starosti vesolja, okrog 10 milijard let).
 

Kaj obeta prihodnost

Projekt iPTF je nedavno nasledil projekt Zwicky Transient Facility (ZTF), ki bo trajal najmanj tri leta. Ta prav tako kot iPTF uporablja teleskop P48, a z večjo kamero, ki pokriva 42 kvadratnih stopinj neba. Astronomska skupnost, vključno z našo skupino na Univerzi v Novi Gorici, pa se medtem pospešeno pripravlja na Veliki sinoptični pregledovalni teleskop (LSST – Large Synoptic Survey Telescope (Znanost, 7. in 14. septembra 2017)), ki ga gradijo v Čilu. Teleskop z 8,4-metrskim zrcalom bo vsako jasno noč pregledoval nebo in iskal nove tranzientne objekte. Kamera na njem je po velikosti (1,65 krat 3 metre) primerljiva z majhnim avtomobilom in je največja digitalna kamera, izdelana doslej. Za projekt LSST pravijo, da nam bo dal ne le posamezne posnetke neba, pač pa barvni film celotnega neba, ki je vidno z lokacije teleskopa.



Med številnimi pomembnimi projekti, ki jih bo omogočal LSST, bo z mojimi raziskavami povezano zlasti opazovanje supernov, ki so gravitacijsko lečene v močnem gravitacijskem polju jat galaksij. To nam bo omogočalo proučevanje hitrosti širjenja vesolja.
Pred nami so torej vznemirljivi časi. Še neodkrite eksplozije zvezd bodo nam, pa tudi študentom fizike in astrofizike na novogoriški univerzi, ki prav tako sodelujejo pri raziskavah, razkrivale lastnosti in skrivnosti našega vesolja.