Naukowcy potwierdzili, że supernowe dają początek czarnym dziurom lub gwiazdom neutronowym

Astronomowie odkryli bezpośredni związek między wybuchową śmiercią masywnych gwiazd, jakimi są supernowe, a powstawaniem najbardziej zwartych i enigmatycznych obiektów we wszechświecie – czarnych dziur i gwiazd neutronowych.

Z pomocą należących do Europejskiego Obserwatorium Południowego Very Large Telescope (ESO’s VLT) i New Technology Telescope (NTT), naukowcy byli w stanie zaobserwować następstwa eksplozji supernowej w pobliskiej galaktyce, znajdując dowody na istnienie tajemniczego zwartego obiektu, który po sobie pozostawiła.

Kiedy masywne gwiazdy osiągają kres swojego życia, zapadają się pod wpływem własnej grawitacji tak szybko, że dochodzi do gwałtownych eksplozji znanych jako supernowe. Astronomowie twierdzą, że gdy nastąpi wybuch, po gwieździe pozostaje bardzo gęste jądro lub coś w rodzaju niezwykle skupionej pod wpływem grawitacji pozostałość. W zależności od tego, jak masywna jest gwiazda, zwarta pozostałość będzie albo gwiazdą neutronową – obiektem tak gęstym, że łyżeczka jego materii ważyłaby około biliona kilogramów na Ziemi, albo czarną dziurą – obiektem tak gęstym, że nic nie może z niego uciec, nawet światło.

W przeszłości astronomowie znaleźli wiele wskazówek sugerujących ten łańcuch zdarzeń, takich jak znalezienie gwiazdy neutronowej w Mgławicy Kraba, obłoku gazu pozostałym po eksplozji gwiazdy prawie tysiąc lat temu. Jednak nigdy wcześniej nie zaobserwowano tego procesu w czasie rzeczywistym, co oznacza, że bezpośredni dowód na to, że supernowe pozostawiają po sobie gęstą pozostałość, pozostawał nieuchwytny.

„W naszej pracy ustaliliśmy takie bezpośrednie powiązanie” – mówi Ping Chen, badacz z Weizmann Institute of Science w Izraelu i główny autor badania opublikowanego w magazynie Nature.

W maju 2022 r. astronom-amator Berto Monard odkrył supernową SN 2022jli w ramieniu pobliskiej galaktyki spiralnej NGC 157, znajdującej się w odległości 75 milionów lat świetlnych. Profesjonalni astronomowie zwrócili uwagę na to odkrycie i kontynuowali obserwację następstw kosmicznego wydarzenia.

Po eksplozji jasność większości supernowych po prostu zanika wraz z upływem czasu, astronomowie obserwują płynny, stopniowy spadek „krzywej blasku” eksplozji. Jednak zachowanie SN 2022jli było inne, ogólna jasność spadła i nie zrobiła tego płynnie, ale zamiast tego oscylowała w górę i w dół co około 12 dni.

„Obserwując SN 2022jli widzimy powtarzającą się sekwencję rozjaśniania i zanikania. To pierwszy raz, kiedy powtarzające się okresowe oscylacje, w wielu cyklach, zostały wykryte na krzywej blasku supernowej” – mówi Thomas Moore, doktorant na Queen’s University Belfast w Irlandii Północnej.

Astronomowie uważają, że obecność więcej niż jednej gwiazdy w układzie SN 2022jli może wyjaśniać to zachowanie. Naukowcy twierdzą, że nie jest niczym niezwykłym, że masywne gwiazdy znajdują się na orbicie z gwiazdą towarzyszącą, w tak zwanym układzie podwójnym, SN 2022jli mogła nie być wyjątkiem. Niezwykłe w tym układzie jest jednak to, że wydaje się, że gwiazda towarzysząca przetrwała gwałtowną śmierć swojego partnera, a dwa obiekty, gęsta pozostałość i towarzysz, prawdopodobnie nadal krążyły wokół siebie.

Dane zebrane przez zespół Moore’a, które obejmowały obserwacje za pomocą ESO NTT na pustyni Atacama w Chile, nie pozwoliły dokładnie określić, w jaki sposób interakcja między dwoma obiektami spowodowała wzloty i upadki na krzywej blasku. Zespół Chena dzięki dodatkowym obserwacjom znalazł nie tylko te same regularne wahania jasności widzialnej układu, które wykrył zespół Moore’a, ale także zauważył okresowe ruchy wodoru i wybuchy promieni gamma. Dodatkowe obserwacje były możliwe dzięki instrumentom umieszczonym na Ziemi i w kosmosie, w tym X-shooter na ESO VLT, znajdującym się w Chile.

Łącząc wszystkie dane, naukowcy potwierdzili, że gdy gwiazda towarzysząca weszła w interakcję z materią wyrzuconą podczas wybuchu supernowej, jej bogata w wodór atmosfera stała się bardziej napęczniała niż zwykle. Następnie, gdy zwarty obiekt pozostawiony po eksplozji przelatywał przez atmosferę towarzysza na swojej orbicie, kradł wodór, tworząc wokół siebie gorący dysk materii. To okresowe pozyskiwanie materii, czyli akrecja, uwolniła mnóstwo energii, która została wychwycona w obserwacjach jako regularne zmiany jasności.

Naukowcy nie mogli zaobserwować światła pochodzącego z samego gęstego obiektu, przez co doszli do wniosku, że kradzież energii może być spowodowana jedynie przez niewidoczną gwiazdę neutronową lub czarną dziurę, przyciągającą materię z atmosfery gwiazdy towarzyszącej. „Nasze badania przypominają rozwiązywanie zagadki poprzez gromadzenie wszystkich możliwych dowodów” – komentuje Chen.

Po potwierdzeniu obecności czarnej dziury lub gwiazdy neutronowej, wciąż pozostaje wiele do odkrycia na temat tego enigmatycznego gęstego obiektu i tego jaki koniec może czekać ten układ podwójny. Pomogą w tym teleskopy nowej generacji, takie jak Very Large Telescope ESO, który ma zacząć działać jeszcze w tej dekadzie, umożliwiając astronomom obserwację szczegółów tego wyjątkowego układu i tego jak supernowe zamieniają się w czarne dziury lub gwiazdy neutronowe.

Emil Gołoś