Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, należący do NASA, znalazł najlepszy jak dotąd dowód na emisję z gwiazdy neutronowej w miejscu niedawno zaobserwowanej supernowej. Supernowa, znana jako SN 1987A, była supernową z zapadnięciem się jądra, co oznacza, że zagęszczone pozostałości w jej jądrze utworzyły albo gwiazdę neutronową, albo czarną dziurę. Dowodów na istnienie tak zwartego obiektu szukano od dawna i chociaż pośrednie dowody na obecność gwiazdy neutronowej znaleziono już wcześniej, po raz pierwszy wykryto skutki emisji wysokoenergetycznej prawdopodobnej młodej gwiazdy neutronowej.
Supernowe – wybuchowe, końcowe ataki śmierci niektórych masywnych gwiazd – wybuchają w ciągu kilku godzin, a jasność eksplozji osiąga szczyt w ciągu kilku miesięcy. Pozostałości eksplodującej gwiazdy będą nadal ewoluować w szybkim tempie przez następne dziesięciolecia, dając astronomom rzadką okazję do badania kluczowego procesu astronomicznego w czasie rzeczywistym.
Supernowa 1987A
Supernowa SN 1987A pojawiła się 160 000 lat świetlnych od Ziemi w Wielkim Obłoku Magellana. Po raz pierwszy zaobserwowano ją na Ziemi w lutym 1987 roku, a jej jasność osiągnęła szczyt w maju tego roku. Była to pierwsza supernowa, którą można było zobaczyć gołym okiem od czasu zaobserwowania supernowej Keplera w 1604 roku.
Około dwie godziny przed pierwszą obserwacją SN 1987A w świetle widzialnym trzy obserwatoria na całym świecie zarejestrowały trwający zaledwie kilka sekund wybuch neutrin. Te dwa różne typy obserwacji powiązano z tym samym zdarzeniem związanym z supernową i dostarczyły ważnych dowodów na poparcie teorii, w jaki sposób zachodzą supernowe z zapadnięciem się jądra. Teoria ta przewidywała, że tego typu supernowa utworzy gwiazdę neutronową lub czarną dziurę. Od tego czasu astronomowie poszukiwali dowodów na istnienie jednego lub drugiego z tych zwartych obiektów w centrum rozszerzającej się pozostałości.
W ciągu ostatnich kilku lat odkryto pośrednie dowody na obecność gwiazdy neutronowej w centrum pozostałości, a obserwacje znacznie starszych pozostałości po supernowych, takich jak Mgławica Krab, potwierdzają, że gwiazdy neutronowe znajdują się w wielu pozostałościach po supernowych. Jednak aż do teraz nie zaobserwowano żadnych bezpośrednich dowodów na istnienie gwiazdy neutronowej powstałej w następstwie SN 1987A (lub jakiejkolwiek innej niedawnej eksplozji supernowej).
Claes Fransson z Uniwersytetu w Sztokholmie i główny autor tego badania wyjaśnił: „Z teoretycznych modeli SN 1987A wynika, że 10-sekundowy wybuch neutrin zaobserwowany tuż przed supernową sugeruje, że w wyniku eksplozji powstała gwiazda neutronowa lub czarna dziura. Nie zaobserwowaliśmy jednak żadnej przekonującej sygnatury takiego nowonarodzonego obiektu po eksplozji supernowej. Dzięki temu obserwatorium znaleźliśmy teraz bezpośredni dowód na emisję wywołaną przez nowonarodzony zwarty obiekt, najprawdopodobniej gwiazdę neutronową.”
Obserwacje Webba dotyczące SN 1987A
Webb rozpoczął obserwacje naukowe w lipcu 2022 r., a obserwacje leżące u podstaw tej pracy przeprowadzono 16 lipca, co uczyniło pozostałość SN 1987A jednym z pierwszych obiektów zaobserwowanych przez Webba. Zespół wykorzystał tryb spektrografu średniej rozdzielczości (MRS) instrumentu MIRI (instrumentu średniej podczerwieni) Webba, którego opracowanie pomogli członkowie tego samego zespołu. MRS to rodzaj instrumentu znanego jako integralna jednostka polowa (IFU).
IFU są w stanie zobrazować obiekt i jednocześnie pobrać jego widmo. IFU tworzy widmo dla każdego piksela, umożliwiając obserwatorom dostrzeżenie różnic spektroskopowych w całym obiekcie. Analiza przesunięcia Dopplera każdego widma pozwala również na ocenę prędkości w każdej pozycji.
Analiza spektralna wyników wykazała silny sygnał spowodowany zjonizowanym argonem ze środka wyrzuconego materiału otaczającego pierwotne miejsce SN 1987A. Późniejsze obserwacje przy użyciu IFU NIRSpec (spektrografu bliskiej podczerwieni) Webba przy krótszych falach wykazały jeszcze silniej zjonizowane pierwiastki chemiczne, zwłaszcza pięciokrotnie zjonizowany argon (co oznacza atomy argonu, które utraciły pięć ze swoich 18 elektronów). Do powstania takich jonów potrzebne są wysokoenergetyczne fotony, które muszą skądś pochodzić.
„Aby wytworzyć te jony, które zaobserwowaliśmy w wyrzutach, było jasne, że w centrum pozostałości SN 1987A musiało znajdować się źródło wysokoenergetycznego promieniowania” – powiedział Fransson. „W artykule omawiamy różne możliwości i stwierdzamy, że prawdopodobnych jest tylko kilka scenariuszy, a wszystkie dotyczą nowo narodzonej gwiazdy neutronowej”.
W tym roku planowane są dalsze obserwacje za pomocą teleskopów Webba i naziemnych. Zespół badawczy ma nadzieję, że trwające badania zapewnią większą jasność co do tego, co dokładnie dzieje się w sercu pozostałości po SN 1987A. Miejmy nadzieję, że te obserwacje pobudzą rozwój bardziej szczegółowych modeli, ostatecznie umożliwiając astronomom lepsze zrozumienie nie tylko SN 1987A, ale wszystkich supernowych powodujących zapadnięcie się jądra.
Odkrycia te opublikowano w czasopiśmie Science.