Pressmeddelande

Saknad länk funnen: supernovor ger upphov till neutronstjärnor eller svarta hål

10 januari 2024, Skurup

Astronomer har funnit en direkt länk mellan massiva stjärnors explosiva död och bildningen av de mest kompakta och svårförstådda objekten i universum - svarta hål och neutronstjärnor. Med hjälp av Europeiska sydobservatoriets Very Large Telescope (ESO:s VLT) och ESO:s New Technology Telescope (NTT) har två forskargrupper observerat följderna av en supernovaexplosion i en närbelägen galax och hittat ledtrådar till det mystiska objekt som blev kvar.

När massiva stjärnor når slutstadierna i sina liv kollapsar de under sin egen gravitation så snabbt att en förödande supernovaexplosion inträffar. Astronomer tror att det som återstår är en ultratät kärna eller rest av stjärnan. Beroende på hur massiv stjärnan var bildas antingen en neutronstjärna eller ett svart hål. Den förra är så tät att en tesked av dess material skulle väga tusen miljarder kilogram på jorden, och från den senare kan ingenting, inte ens ljuset, lämna.

Astronomer har funnit många ledtrådar till denna följd av händelser förr, till exempel i fallet med neutronstjärnan i Krabbnebulosan, resterna av en supernova för tusen år sedan.  Men detta förlopp har aldrig kunnat observeras i realtid, varför direkta bevis för att supernovor efterlämnar kompakta objekt har vilat på lösa grunder. “Med vårt arbete har vi kunnat etablera denna länk” säger Ping Chen vid Weizmann Institute of science i Israel och huvudförfattare till den studie som publiceras i dag i Nature och som presenterades vid American Astronomical Societys den 243:e konferens  i New Orleans, USA.

Forskarnas framgångssaga började i maj 2022 då den sydafrikanske amatörastronomen Berto Monard upptäckte supernovan SN 2022jli i den närbelägna spiralgalaxen NGC 157, belägen på 75 miljoner ljusårs avstånd. Två forskargrupper studerade effekterna av explosionen och fann att den hade unika egenskaper.

Efter explosionen brukar supernovans ljusstyrka avta gradvis med tiden. Men SN 2022jli betedde sig annorlunda: när dess ljusstyrka avtog skedde inte detta i jämn takt utan under variationer med omkring 12 dygns period. “I ljuskurvan från SN 2022jli ser vi upprepade faser med avtagande och tilltagande ljusstyrka” säger Thomas Moore, doktorand vid Queens University i belfast, Nordirland, som ledde en studie som publicerades förra året i Astrophysical Journal. “Det är första gången som cykliska variationer har setts i en supernovas ljuskurva” sammanfattade Moore i sin artikel.

Både Moores och Chens forskargrupper tror att förekomsten av en ytterligare stjärna i SN 2022jli-systemet kan förklara det unika beteendet. Det är inte ovanligt att massiva stjärnor har kompanjoner, och stjärnan som orsakade SN 2022jli var inget undantag. Det som är anmärkningsvärt med systemet är att kompanjonen verkar ha överlevt moderstjärnans explosion och att de två objekten sannolikt fortsatte att kretsa kring varandra.

Datan som samlades in av Moores grupp, som inkluderade observationer med ESO:s NTT i Chiles Atacamaöken, kunde inte svara exakt på hur samverkan sker mellan de två objekten som orsakade variationerna i ljuskurvan. Men Chens grupp hade ytterligare observationer och fann samma regelbundna variationer som Moores grupp. De fann dessutom periodiska rörelser av vätgas och gammastrålning från systemet. Deras observationer var möjliga att göra med tack vare instrument både på jorden och i rymden, inklusive instrumentet X-shooter på ESO:s VLT, också i Chile.

Genom att sammanföra alla indicier kunde de två forskargrupperna dra slutsatsen att kompanjonens vätgasrika atmosfär expanderade när den samverkade med material som kastades ut vid supernovaexplosionen. När det kompakta objektet som bildades vid supernovan passerade genom kompanjonens uppblåsta atmosfär under sin banrörelse samlade den på sig vätgas i en het skiva runt det kompakta objektet. Den periodiska ansamlingen av gas frigjorde stora mängder energi som gav upphov till regelbundna variationer i ljuskurvan.

Även om forskargrupperna inte kunde observera något ljus från det kompakta objektet kunde de dra slutsatsen att vätgasansamlingen bara kunde ske då en neutronstjärna, eller möjligtvis ett svart hål, drog till sig material från kompanjonens uppblåsta atmosfär. “Vår forskning är som att lösa ett pussel genom att samla in all möjlig evidens” säger Chen. “Alla dessa bitar tillsammans ger det korrekta svaret på gåtan”.

Även om förekomsten av ett svart hål eller en neutronstjärna är bekräftad finns det mycket kvar att undersöka i detta märkliga system, till exempel exakt vilken sorts objekt som blev kvar efter supernovaexplosionen och hur dess framtida utveckling ser ut. Nästa generations teleskop som ESO:s Extremely Large Telescope, som förväntas stå klart i slutet av detta årtionde, kan bidra med mer information och ge astronomerna möjlighet att avslöja oanade detaljer i detta unika system.

Mer information

Forskningsresultaten presenteras i två separata artiklar. Forskargruppen under ledning av P. Chen publicerade artikeln “A 12.4 day periodicity in a close binary system after a supernova” (doi: 10.1038/s41586-023-06787-x) i tidskriften Nature.

Detta forskarlag utgörs av P. Chen (Department of Particle Physics and Astrophysics, Weizmann Institute of Science, Israel [Weizmann Institute]), A. ​​Gal-Yam (Weizmann Institute), J. Sollerman (The Oskar Klein Centre, Department of Astronomy, Stockholm University, Sverige [OKC DoA]), S. Schulze (The Oskar Klein Centre, Department of Physics, Stockholm University, Sverige [OKC DoP]), R. S. Post (Post Observatory, Lexington, USA), C. Liu (Department of Physics and Astronomy, Northwestern University, USA [Northwestern]; Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics, Northwestern University, USA [CIERA]), E. O. Ofek (Weizmann Institute), K. K. Das (Cahill Center for Astrophysics, California Institute of Technology, USA [Cahill Center]), C. Fremling (Caltech Optical Observatories, California Institute of Technology, USA [COO]; Division of Physics, Mathematics and Astronomy, California Institute of Technology, USA [PMA]), A. Horesh (Racah Institute of Physics, The Hebrew University of Jerusalem, Israel), B. Katz (Weizmann Institute), D. Kushnir (Weizmann Institute), M. M. Kasliwal (Cahill Center), S. R. Kulkarni (Cahill Center), D. Liu (South-Western Institute for Astronomy Research, Yunnan University, China [Yunnan]), X. Liu (Yunnan), A. A. Miller (Northwestern; CIERA), K. Rose (Sydney Institute for Astronomy, School of Physics, The University of Sydney, Australia), E. Waxman (Weizmann Institute), S. Yang (OKC DoA; Henan Academy of Sciences, China), Y. Yao (Cahill Center), B. Zackay (Weizmann Institute), E. C. Bellm (DIRAC Institute, Department of Astronomy, University of Washington, USA), R. Dekany (COO), A. J. Drake (PMA), Y. Fang (Yunnan), J. P. U. Fynbo (The Cosmic DAWN Center, Denmark; Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Danmark), S. L. Groom (IPAC, California Institute of Technology, USA [IPAC]), G. Helou (IPAC), I. Irani (Weizmann Institute), T. J. du Laz (PMA), X. Liu (Yunnan), P. A. Mazzali (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, UK; Max Planck Institute for Astrophysics, Germany), J. D. Neill (PMA), Y.-J. Qin (PMA), R. L. Riddle (COO), A. Sharon (Weizmann Institute), N. L. Strotjohann (Weizmann Institute), A. Wold (IPAC) och L. Yan (COO).

Forskarlaget under ledning av T. Moore publicerade artikeln “SN 2022jli: A Type 1c Supernova with Periodic Modulation of Its Light Curve and an Unusually Long Rise” (doi: 10.3847/2041-8213/acfc25)  i The Astrophysical Journal Letters.

Detta forskarlag utgörs av T. Moore (Astrophysics Research Centre, Queenʼs University Belfast, Storbritannien [Queen’s]), S. J. Smartt (Queen’s; Department of Physics, University of Oxford, Storbritannien [Oxford]), M. Nicholl (Queen’s), S. Srivastav (Queen’s), H. F. Stevance (Oxford; Department of Physics, The University of Auckland, Nya Zeeland), D. B. Jess (Queen’s; Department of Physics and Astronomy, California State University Northridge, USA), S. D. T. Grant (Queen’s), M. D. Fulton (Queen’s), L. Rhodes (Oxford), S. A. Sim (Queen’s), R. Hirai (OzGrav: The Australian Research Council Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery, Australien; School of Physics and Astronomy, Monash University, Australien), P. Podsiadlowski (University of Oxford, Storbritannien), J. P. Anderson (European Southern Observatory, Chile; Millennium Institute of Astrophysics MAS, Chile), C. Ashall (Department of Physics, Virginia Tech, USA), W. Bate (Queen’s), R. Fender (Oxford), C. P. Gutiérrez (Institut d’Estudis Espacials de Catalunya, Spanien [IEEC]; Institute of Space Sciences, Campus UAB, Spain [ICE, CSIC]), D. A. Howell (Las Cumbres Observatory, USA [Las Cumbres]; Department of Physics, University of California, Santa Barbara, USA [UCSB]), M. E. Huber (Institute for Astronomy, University of Hawai’i, USA [Hawai’i]), C. Inserra (Cardiff Hub for Astrophysics Research and Technology, Cardiff University, Storbritannien), G. Leloudas (DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, Danmark), L. A. G. Monard (Kleinkaroo Observatory, Sydafrika), T. E. Müller-Bravo (IEEC; ICE, CSIC), B. J. Shappee (Hawai’i), K. W. Smith (Queen’s), G. Terreran (Las Cumbres), J. Tonry (Hawai’i), M. A. Tucker (Department of Astronomy, The Ohio State University, USA; Department of Physics, The Ohio State University, USA; Center for Cosmology and Astroparticle Physics, The Ohio State University, USA), D. R. Young (Queen’s), A. Aamer (Queen’s; Institute for Gravitational Wave Astronomy, University of Birmingham, Storbritannien [IGWA]; School of Physics and Astronomy, University of Birmingham, Storbritannien [Birmingham]), T.-W. Chen (Graduate Institute of Astronomy, National Central University, Taiwan), F. Ragosta (INAF, Osservatorio Astronomico di Roma, Italien; Space Science Data Center—ASI, Italien), L. Galbany (IEEC; ICE, CSIC), M. Gromadzki (Astronomical Observatory, University of Warsaw, Polen), L. Harvey (School of Physics, Trinity College Dublin, The University of Dublin, Irland), P. Hoeflich (Department of Physics, Florida State University, USA), C. McCully (Las Cumbres), M. Newsome (Las Cumbres; UCSB), E. P. Gonzalez (Las Cumbres; UCSB), C. Pellegrino (Las Cumbres; UCSB), P. Ramsden (Birmingham; IGWA), M. Pérez-Torres (Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), Spanien; School of Sciences, European University Cyprus, Cypern), E. J. Ridley (IGWA; Birmingham), X. Sheng (Queen’s) och J. Weston (Queen’s).

Europeiska sydobservatoriet (ESO) möjliggör för astronomer världen över att utforska universums mysterier. Vi designar, konstruerar och driver markbaserade observatorier av yppersta världsklass – som astronomer använder för att besvara spännande och utmanande frågor och för att sprida astronomisk kunskap – och driver internationella samarbeten inom astronomin. ESO startade som en mellanstatlig organisation 1962 och har i dag 16 medlemsländer (Belgien, Danmark, Finland, Frankrike, Irland, Italien, Nederländerna, Polen, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike), tillsammans med Chile som värdland och Australien som en strategisk partner. ESO:s högkvarter och besökscenter med planetarium, ESO Supernova, ligger nära München i Tyskland, medan teleskopen är placerade i Atacamaöknen i Chile, en unik plats för astronomiska observationer. ESO driver tre observatorier i Chile: La Silla, Paranal och Chajnantor. Vid Paranal finns Very Large Telescope och Very Large Telescope Interferometer, liksom kartläggningsteleskop som VISTA. Vid Paranal kommer även ESO att placera och driva Cherenkov Telescope Array South, världens största och känsligaste gammastrålningsteleskop. Tillsammans med internationella partners driver ESO de två anläggningarna APEX och ALMA på Chajnantorplatån som observerar himlen i millimeter- och submillimetervåglängder. Vid Cerro Armazones, nära Paranal, bygger vi för närvarande ESO:s Extremely Large Telescope, ”världens största öga mot himlen”. Från kontoret i Santiago, Chile, stödjer vi verksamheten i landet och samverkar med det chilenska samhället och våra samarbetspartners.

Länkar

• Chen et al.:s artikel
• Moore et al.:s artikel
• Foton på VLT
• Foton på NTT
• Läs mer om ESO:s Extremely Large Telescope på vår dedikerade webbplats och i pressmaterialet
• För journalister: Prenumerera på pressmeddelanden under embargo på svenska
• För astronomer: Berätta om din forskning!

Kontakter

Ping Chen
Weizmann Institute of Science
Rehovot, Israel
Tel: +972 8 934 6512
E-post: chen.ping@weizmann.ac.il

Thomas Moore
Queen’s University Belfast
Belfast, Northern Ireland, UK
E-post: tmoore11@qub.ac.uk

Jesper Sollerman
Department of Astronomy, Stockholm University
Stockholm, Sweden
Tel: +46 8 5537 8554
E-post: jesper@astro.su.se

Matt Nicholl
Queen’s University Belfast
Belfast, Northern Ireland, UK
E-post: matt.nicholl@qub.ac.uk

Bárbara Ferreira
ESO Media Manager
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6670
Mobil: +49 151 241 664 00
E-post: press@eso.org

Johan Warell (press contact Sverige)
ESO Science Outreach Network
Skurup, Sverige
Tel: +46-706-494731
Email: eson-sweden@eso.org

Connect with ESO on social media

Detta är den översatta versionen av ESO:s pressmeddelande eso2401 som har tagits fram inom ESON, ett nätverk av medarbetare i ESO:s medlemsländer. ESON-representanterna fungerar som lokala kontaktpersoner för media i samband med ESO:s pressmeddelanden och andra händelser. ESON:s kontaktperson i Sverige är Johan Warell.