Skąd się wzięła Mgławica Kraba?

Astronomowie wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do zbadania skąd się wzięła Mgławica Kraba, pozostałości po supernowej znajdującej się w odległości 6500 lat świetlnych w gwiazdozbiorze Byka. Dzięki instrumentom MIRI (Mid-Infared Instrument) i NIRCam (Near-Infrared Camera) zebrano dane, które pomogą wyjaśnić historię tego kosmicznego obiektu.

Jak tłumaczą badacze, Mgławica Kraba jest wynikiem kolapsu rdzenia supernowej, który był śmiercią masywnej gwiazdy. Sama eksplozja supernowej była widoczna na Ziemi w 1054 roku i była wystarczająco jasna, aby można ją było obserwować w ciągu dnia. Znacznie słabsza pozostałość obserwowana dzisiaj to, jak wskazują astronomowie, rozszerzająca się powłoka gazu i pyłu oraz wypływający wiatr napędzany przez pulsar, szybko wirującą i silnie namagnesowaną gwiazdę neutronową.

Mgławica Kraba jest również zdaniem naukowców, bardzo nietypowa. Jej skład i bardzo niska energia eksplozji doprowadziły wcześniej badaczy do wniosku, że była to supernowa z wychwytem elektronów – rzadki rodzaj eksplozji, który powstaje z gwiazdy o mniej rozwiniętym jądrze wykonanym z tlenu, neonu i magnezu, a nie z bardziej typowego żelaznego.

Dotychczasowe badania pozwoliły naukowcom obliczyć całkowitą energię kinetyczną eksplozji na podstawie ilości i prędkości obecnego wyrzutu materii. Astronomowie zakładają, że eksplozja miała stosunkowo niską energię (mniejszą niż jedna dziesiąta energii normalnej supernowej), a masa gwiazdy macierzystej mieściła się w zakresie od ośmiu do dziesięciu mas Słońca – plasując się na cienkiej granicy między gwiazdami, które doświadczają gwałtownej śmierci w wyniku supernowej, a tymi, które jej nie doświadczają.

Zdaniem badaczy istnieją jednak niespójności między teorią supernowej wychwytującej elektrony a obserwacjami Kraba, w szczególności zarejestrowanym szybkim ruchem pulsara. W ostatnich latach astronomowie pogłębili również swoje zrozumienie supernowych z zapadającym się żelaznym rdzeniem i obecnie uważają, że ten typ może również powodować eksplozje o niskiej energii, pod warunkiem, że masa gwiazdy jest odpowiednio niska.

Aby zrozumieć skąd się wzięła Mgławica Kraba i jaka była natura eksplozji ją poprzedzająca, naukowcy z ESA wykorzystali możliwości spektroskopowe Webba do zlokalizowania dwóch obszarów znajdujących się w wewnętrznych włóknach Kraba. Badanie zostało opublikowana w The Astrophysical Journal Letters.

Teorie przewidują, jak sugerują naukowcy, że ze względu na inny skład chemiczny rdzenia w supernowej wychwytującej elektrony, stosunek obfitości niklu do żelaza (Ni/Fe) powinien być znacznie wyższy niż mierzony na Słońcu (które zawiera te pierwiastki z poprzednich generacji gwiazd). Badania przeprowadzone pod koniec lat 80-tych i na początku lat 90-tych XX wieku pozwoliły zmierzyć stosunek Ni/Fe jaki ma Mgławica Kraba przy użyciu danych optycznych i bliskiej podczerwieni i odnotowały wysoki stosunek obfitości Ni/Fe, który wydawał się sprzyjać scenariuszowi supernowej z wychwytem elektronów.

Teleskop Webba, dzięki swoim możliwościami obserwacji w podczerwieni, pomógł lepiej poznać Mgławicę Kraba. Naukowcy z ESA wykorzystali możliwości spektroskopowe MIRI do pomiaru linii emisyjnych niklu i żelaza, co pozwoliło na bardziej wiarygodne oszacowanie stosunku obfitości Ni/Fe. Okazało się, że stosunek ten jest nadal podwyższony w porównaniu do Słońca, ale tylko nieznacznie i znacznie niższy w porównaniu do wcześniejszych szacunków.

Zdaniem astronomów nowe wartości są zgodne z wychwytem elektronów, ale nie wykluczają wybuchu kolapsu rdzenia żelaznego z gwiazdy o podobnie niskiej masie. (badacze zakładają, że eksplozje o wyższej energii z gwiazd o wyższej masie wytworzą stosunek Ni/Fe bliższy obfitościom słonecznym). Rozróżnienie tych dwóch możliwości będzie wymagało dalszych obserwacji i badań.

Oprócz zebrania danych spektralnych z dwóch małych obszarów wnętrza Mgławicy Krab w celu zmierzenia stosunku obfitości, teleskop, jak podkreślają naukowcy, obserwował również szersze otoczenie pozostałości, aby zrozumieć szczegóły emisji synchrotronowej i rozkładu pyłu.

Obrazy i dane zebrane przez MIRI umożliwiły astronomom wyizolowanie emisji pyłu wewnątrz Kraba i zmapowanie jej w wysokiej rozdzielczości po raz pierwszy. Łącząc obrazowanie emisji ciepłego pyłu za pomocą Webba, z danymi Kosmicznego Obserwatorium Herschela dotyczącymi chłodniejszych ziaren pyłu, badacze stworzyli zaokrąglony obraz rozkładu pyłu – najbardziej zewnętrzne włókna zawierają stosunkowo cieplejszy pył, podczas gdy chłodniejsze ziarna przeważają w pobliżu środka.

Emil Gołoś