Uwięziony strumień supernowej ujawnia źródło szybkiego rentgenowskiego zjawiska przejściowego
Tajemnicza kosmiczna eksplozja została powiązana z potężną eksplozją gwiazdową.
 |
Oznaczona pomarańczową strzałką niebieska kropka to szybkie rentgenowskie zjawisko przejściowe EP 250108a oraz supernowa, która nastąpiła po nim. Źródło: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA |
Międzynarodowy zespół astrofizyków pod kierownictwem Uniwersytetu Northwestern i Uniwersytetu Leicester w Anglii odkrył możliwe źródło szybkich rentgenowskich zjawisk przejściowych (FXT) – tajemniczych, ulotnych rozbłysków promieniowania rentgenowskiego, które od dawna stanowiły zagadkę dla astronomów.
Korzystając z połączenia teleskopów rozmieszczonych na całym świecie i w przestrzeni kosmicznej, zespół badał najbliższe FXT związane z wybuchową śmiercią masywnej gwiazdy, czyli supernową, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Naukowcy odkryli, że FXT powstało w wyniku wyrzucenia strumienia cząstek o wysokiej energii uwięzionych wewnątrz supernowej.
Kiedy strumienie przebijają się przez warstwy masywnej gwiazdy przypominające cebulę, generują rozbłyski gamma (GRB), najpotężniejsze i najjaśniejsze eksplozje we Wszechświecie. Jednak gdy strumienie są tłumione, emitują niższe poziomy energii, które astronomowie mogą wykryć jedynie na podstawie sygnałów rentgenowskich. Nowe obserwacje wskazują obecnie na te nieudane strumienie jako źródło emisji, wyjaśniając historycznie nieuchwytne zjawisko.
Odkrycie to stanowi znaczący krok w kierunku zrozumienia różnorodnego krajobrazu kosmicznych eksplozji – wypełniając lukę między FXT, GRB i supernowymi. Dwa powiązane badania, szczegółowo opisujące różne aspekty tego zdarzenia, zostały przyjęte do publikacji w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters. (Oba artykuły są dostępne na ArXiv: Rastinejad et. al. oraz Elyes-Ferris et. al.)
Od lat 70. XX wieku astronomowie wykrywają FXT – rozbłyski promieniowania rentgenowskiego z odległych galaktyk, które mogą trwać od kilku sekund do kilku godzin – powiedziała Jillian Rastinejad z Northwestern University, która kierowała jednym z badań. Jednak ich źródła pozostawały od dawna tajemnicą. Nasze badania jednoznacznie pokazują, że FXT mogą pochodzić z wybuchowej śmierci masywnej gwiazdy. Potwierdzają one również związek przyczynowo skutkowy między GRB-supernowymi a FXT-supernowymi, w którym GRB są wytwarzane przez udane strumienie, a FXT są wytwarzane przez uwięzione słabe strumienie.
Nasz zespół – rozproszony po różnych strefach czasowych na całym świecie – umożliwił nam pracę przez całą dobę, aby gromadzić dane, analizować je natychmiast po ich zebraniu i przekazywać wyniki do kolejnej strefy czasowej w celu podjęcia decyzji dotyczących kolejnej nocy obserwacji – powiedział Wen-fai Fong z Northwestern, główny autor obu badań. Efekt? Ogromny i piękny strumień danych zebranych z dużych i małych obiektów, na ziemi i w kosmosie, dokumentujący pierwszy miesiąc tego wydarzenia. Potrzeba naprawdę wyjątkowych zdarzeń, aby zmotywować tak globalny wysiłek, a FXT było jednym z nich.
Rastinejad jest świeżo upieczoną doktorantką astronomii w Weinberg College of Arts and Sciences na Uniwersytecie Northwestern oraz członkinią Centrum Interdyscyplinarnych Badań i Eksploracji w Astrofizyce (CIERA). Jej promotorem jest Fong, profesor fizyki i astronomii w Weinberg oraz członek CIERA. Rastinejad kierowała badaniami skupiającymi się na supernowej stojącej za FXT. Drugie badanie towarzyszące – prowadzone przez Roba Elyesa-Ferrisa, doktoranta nauk ścisłych na Uniwersytecie Leicester – skupia się na “uwięzionym” strumieniu.
Wybuchowy sąsiad
Chociaż astronomowie wykrywają FXT od dziesięcioleci, ograniczona liczba odkryć uniemożliwiała przeprowadzenie szczegółowych badań. Obecnie naukowcy dysponują nowym narzędziem kosmicznym o nazwie Einstein Probe, dedykowanym tym poszukiwaniom. Sonda Einstein Probe, wystrzelona w styczniu 2024 roku przez Chińską Akademię Nauk we współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną i Instytutem Fizyki Pozaziemskiej im. Maxa Plancka, wyposażona jest w dwa instrumenty naukowe, specjalnie zaprojektowane do obserwacji źródeł promieniowania rentgenowskiego.
FXT od dawna nas fascynują, ale badania nad nimi opierały się na niewielkiej liczbie zdarzeń, które zostały odkryte przypadkowo – powiedział Fong. Sonda Einstein Probe zrewolucjonizowała tę dziedzinę, zwiększając liczbę znanych zdarzeń dziesięciokrotnie w ciągu zaledwie jednego roku działania. W ten sposób nie tylko wypełnia ona wcześniejszą rzadką mapę FXT, ale także sprawia, że nasz obraz tej mapy staje się wyraźniejszy, skupiając uwagę na aspektach tych eksplozji, których wcześniej nie byliśmy w stanie sobie wyobrazić.
Wkrótce po wystrzeleniu sonda Einstein Probe uchwyciła najbliższe dotąd FXT, związane z supernową. Zjawisko oznaczone EP 250108a, znajdowało się w odległości 2,8 miliarda lat świetlnych od Ziemi w konstelacji Erydanu. Jego bliskość względem Ziemi dała astronomom bezprecedensową okazję do obserwacji przebiegu tego zjawiska.
Skutki kangura
Aby śledzić to zmieniające się zachowanie, zespół zarejestrował sygnał tego zdarzenia w wielu długościach fal. Spektrograf FLAMINGO-2 zainstalowany na teleskopie Gemini South dostarczył dane w zakresie bliskiej podczerwieni, a spektrograf Gemini Multi-Object zainstalowany na teleskopie Gemini North dostarczył dane optyczne. Naukowcy z Northwestern uzyskali również spektroskopię optyczną z Obserwatorium W.M. Kecka na Hawajach, obrazy w podczerwieni z Obserwatorium MMT w Arizonie oraz bardzo czułe dane w podczerwieni z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.
Należy pamiętać, że same dane rentgenowskie nie pozwalają nam stwierdzić, jakie zjawiska spowodowały powstanie FXT – powiedziała Rastinejad. Szybkie obserwacje lokalizacji FXT w zakresie fal optycznych i podczerwonych mają kluczowe znaczenie dla identyfikacji skutków FXT i zebrania wskazówek dotyczących jego pochodzenia.
Kiedy astronomowie skierowali teleskopy Gemini w stronę EP 250108a, odkryli świecące pozostałości po supernowej. Supernowa (nazwana SN 2025kg lub pieszczotliwie kangur) przez kilka tygodni zwiększała swoją jasność, po czym zaczęła blednąć.
JWST uzyskał doskonałe widma w podczerwieni, gdy “kangur” był najjaśniejszy, co pozwoliło nam zajrzeć do wnętrza eksplozji i znaleźć dowody na obecność helu i węgla – powiedział Charlie Kilpatrick z Northwestern, adiunkt w CIERA i współautor obu badań. Byłem zaskoczony, ponieważ nie widzieliśmy helu w żadnych z naszych danych optycznych, a nie spodziewaliśmy się go w przypadku tego typu eksplozji. Była to jednak kluczowa wskazówka, która pozwoliła nam ustalić, że “kangur” pochodzi od bardzo masywnej gwiazdy, która prawdopodobnie miała towarzysza przed wywołaniem FXT.
Po zbadaniu jasności i widma, zespół potwierdził, że kangur był supernową typu Ic o szerokiej linii. Te potężne eksplozje są zazwyczaj związane z wysoce energetycznymi zjawiskami, takimi jak GRB. Jednak w tym przypadku brakowało dowodów na występowanie GRB.
Nieudany strumień, wielki przełom
Analizując szybko zmieniający się sygnał, naukowcy doszli do wniosku, że EP 20250108a jest prawdopodobnie nieudanym GRB. Chociaż EP 20250108a przypomina eksplozję napędzaną strumieniem, jej strumienie nie przebiły zewnętrznej warstwy umierającej gwiazdy. Zamiast tego strumienie pozostały uwięzione wewnątrz.
Ta supernowa FXT jest niemal identyczna jak poprzednie supernowe, które pojawiły się po wybuchu GRB – powiedział Eyles-Ferris. Nasze obserwacje wczesnych etapów ewolucji EP 20250108a pokazują, że wybuchy masywnych gwiazd mogą powodować oba zjawiska.
Dzięki dziesiątkom lat badań naukowych wiemy, że strumienie mogą z powodzeniem przebijać się przez zewnętrzne warstwy umierającej gwiazdy i postrzegamy je jako rozbłyski gamma – powiedziała Rastinejad. W naszych badaniach odkryliśmy, że ten uwięziony strumień występuje częściej w przypadku eksplozji masywnych gwiazd niż strumienie, które z powodzeniem wydostają się z gwiazdy.
Aby zbadać samą supernową, zespół wykorzystał 4,1-metrowy teleskop Southern Astrophysical Research Telescope w Międzyamerykańskim Obserwatorium Cerro Tololo w Chile. Na podstawie tych obserwacji naukowcy oszacowali, że gwiazda macierzysta, której śmierć spowodowała powstanie EP 20250108a i związanej z nią supernowej, miała masę około 15 do 30 razy większą od masy Słońca.
Składanie krajobrazu w całość
Wraz z niedawnym otwarciem Obserwatorium im. Very C. Rubin astronomowie spodziewają się znacznego poszerzenia swojej wiedzy na temat gwiazd. Przyszły projekt Obserwatorium pod nazwą Legacy Survey of Space and Time dostarczy naukowcom ogromnych zbiorów danych, pokazujących zmiany zachodzące w gwiazdach i ich wybuchowej śmierci w miarę upływu czasu. Te informacje mogą pomóc w odkryciu wewnętrznych mechanizmów działania FXT i wielu innych egzotycznych zjawisk kosmicznych.
W ciągu ostatniej dekady nowe badania astronomiczne otworzyły nam oczy na różnorodność eksplozji gwiazd i otaczające je środowiska gwiazdowe – powiedziała Rastinejad. Jednak nadal nie rozumiemy w pełni, co powoduje powstawanie FXT i jak wpisują się one w nasz obecny obraz eksplozji astronomicznych. Odkrycie fizyki stojącej za różnorodnością wybuchów jest głównym celem Obserwatorium im. Very C. Rubin, które pomoże nam zrozumieć pełny obraz eksplozji gwiazdowych.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Czytaj też:
