Composito a colori dell'Osservatorio Las Cumbres e del telescopio spaziale Hubble della supernova a cattura di elettroni 2018zd (il grande punto bianco a destra) e della galassia starburst ospite NGC 2146 (verso sinistra). Credito: NASA/STScI/J. De Pasquale; Osservatorio Las Cumbres
Un team mondiale guidato da scienziati dell'Osservatorio di Las Cumbres ha scoperto la prima prova convincente di un nuovo tipo di esplosione stellare: una supernova a cattura di elettroni. Sebbene siano stati teorizzati per 40 anni, gli esempi del mondo reale sono stati sfuggenti. Si pensa che derivino dalle esplosioni di massicce stelle a rami giganti superasintotici (SAGB), per le quali ci sono anche scarse prove. La scoperta getta anche nuova luce sul mistero millenario della supernova del 1054 d.C. che fu vista in tutto il mondo durante il giorno, prima di diventare la Nebulosa del Granchio.
Storicamente, ci sono stati due tipi principali di supernova. Uno è una supernova termonucleare: l'esplosione di una stella nana bianca dopo che ha guadagnato materia in un sistema stellare binario. Queste nane bianche sono i densi nuclei di cenere che rimangono dopo che una stella di piccola massa (una fino a circa 8 volte la massa del sole) raggiunge la fine della sua vita. Un altro tipo di supernova principale è una supernova con nucleo di ferro in cui una stella massiccia - una più di circa 10 volte la massa del sole - esaurisce il combustibile nucleare e ha il suo nucleo di ferro che collassa, creando un buco nero o una stella di neutroni. Le supernove a cattura di elettroni sono al confine tra questi due tipi di supernove. Le stelle interrompono la fusione quando i loro nuclei sono fatti di ossigeno, neon e magnesio; non sono abbastanza massicci per creare ferro.
Mentre la gravità cerca sempre di schiacciare una stella, ciò che impedisce alla maggior parte delle stelle di collassare è la fusione in corso o nei nuclei in cui la fusione si è interrotta, il fatto che non puoi impacchettare gli atomi più strettamente. In una supernova a cattura di elettroni, alcuni degli elettroni nel nucleo di ossigeno - neon - magnesio vengono frantumati nei loro nuclei atomici, in un processo chiamato cattura di elettroni. Questa rimozione di elettroni fa piegare il nucleo della stella sotto il suo stesso peso e collassare, risultando in una supernova a cattura di elettroni.
Se la stella fosse stata leggermente più pesante, gli elementi centrali avrebbero potuto fondersi per creare elementi più pesanti, prolungandone la vita. Quindi è una specie di situazione di Riccioli d'Oro al contrario: la stella non è abbastanza leggera per sfuggire al collasso del suo nucleo, né è abbastanza pesante per prolungare la sua vita e morire in seguito con mezzi diversi.
Questa è la teoria che è stata formulata all'inizio del 1980 da Ken'ichi Nomoto dell'Università di Tokyo, e altri. Nel corso dei decenni, i teorici hanno formulato previsioni su cosa cercare in una supernova a cattura di elettroni e nei loro progenitori stellari SAGB. Le stelle dovrebbero avere molta massa, perderne gran parte prima di esplodere, e questa massa vicino alla stella morente dovrebbe avere una composizione chimica insolita. Quindi la supernova a cattura di elettroni dovrebbe essere debole, avere poche ricadute radioattive e avere elementi ricchi di neutroni nel nucleo.
Impressioni artistiche di una stella ramificata super asintotica (a sinistra) e del suo nucleo (a destra) costituito da ossigeno (O), neon (Ne) e magnesio (Mg). Una stella ramificata gigante super asintotica è lo stato finale delle stelle in un intervallo di massa di circa 8-10 masse solari, il cui nucleo è sostenuto da una pressione di elettroni (e-). Quando il nucleo diventa sufficientemente denso, neon e magnesio iniziano a divorare elettroni (le cosiddette reazioni di cattura di elettroni), riducendo la pressione del nucleo e inducendo un'esplosione di supernova con collasso del nucleo. Credito: S. Wilkinson; Osservatorio Las Cumbres
Il nuovo studio, pubblicato Astronomia naturale, è guidato da Daichi Hiramatsu, uno studente laureato presso l'Università della California, Santa Barbara (UCSB) e l'Osservatorio di Las Cumbres (LCO). Hiramatsu è un membro fondamentale del Global Supernova Project, un team mondiale di scienziati che utilizza dozzine di telescopi intorno e sopra il globo. Il team ha scoperto che la supernova SN 2018zd aveva molte caratteristiche insolite, alcune delle quali sono state viste per la prima volta in una supernova.
Ha aiutato il fatto che la supernova fosse relativamente vicina - a soli 31 milioni di anni luce di distanza - nella galassia NGC 2146. Ciò ha permesso al team di esaminare le immagini d'archivio scattate prima dell'esplosione dalla Telescopio spaziale Hubble e per rilevare la probabile stella progenitrice prima che esplodesse. Le osservazioni erano coerenti con un'altra stella SAGB recentemente identificata nella Via Lattea, ma non coerenti con i modelli di supergiganti rosse, i progenitori delle normali supernove del collasso del nucleo di ferro.
Lo studio ha esaminato tutti i dati pubblicati sulle supernove e ha scoperto che mentre alcuni avevano alcuni degli indicatori previsti per le supernove a cattura di elettroni, solo SN 2018zd ne aveva tutti e sei: un apparente progenitore SAGB, una forte perdita di massa pre-supernova, una stella insolita composizione chimica, una debole esplosione, poca radioattività e un nucleo ricco di neutroni.
"Abbiamo iniziato chiedendo 'cos'è questo strambo?'", ha detto Hiramatsu. "Poi abbiamo esaminato ogni aspetto di SN 2018zd e ci siamo resi conto che tutti possono essere spiegati nello scenario della cattura di elettroni".
Le nuove scoperte illuminano anche alcuni misteri della più famosa supernova del passato. Nel 1054 d.C. si verificò una supernova nella Via Lattea e, secondo i registri cinesi e giapponesi, era così luminosa da poter essere vista di giorno per 23 giorni e di notte per quasi due anni. Il residuo risultante, la Nebulosa del Granchio, è stato studiato nei minimi dettagli. In precedenza era il miglior candidato per una supernova a cattura di elettroni, ma questo era incerto in parte perché l'esplosione avvenne quasi mille anni fa. Il nuovo risultato aumenta la certezza che la storica SN 1054 fosse una supernova a cattura di elettroni. Spiega anche perché quella supernova era relativamente luminosa rispetto ai modelli: la sua luminosità è stata probabilmente aumentata artificialmente dalla collisione dell'ejecta della supernova con il materiale espulso dalla stella progenitrice, come si è visto in SN 2018zd.
Il dottor Ken Nomoto dell'IPMU Kavli dell'Università di Tokyo era entusiasta che la sua teoria fosse stata confermata, aggiungendo: "Sono molto contento che sia stata finalmente scoperta la supernova a cattura di elettroni, che io e i miei colleghi avevamo previsto esistesse e avesse una connessione alla Nebulosa del Granchio 40 anni fa. Apprezzo molto i grandi sforzi necessari per ottenere queste osservazioni. Questo è un meraviglioso caso di combinazione di osservazioni e teoria”.
Hiramatsu ha aggiunto: "È stato un tale 'momento Eureka' per tutti noi che possiamo contribuire a chiudere il ciclo teorico di 40 anni, e per me personalmente perché la mia carriera in astronomia è iniziata quando ho guardato le splendide immagini del Universo nella biblioteca del liceo, uno dei quali era l'iconica Nebulosa del Granchio presa dal Telescopio spaziale Hubble. "
"Il termine Stele di Rosetta è usato troppo spesso come analogia quando troviamo un nuovo oggetto astrofisico", ha affermato il dottor Andrew Howell, uno scienziato del personale dell'Osservatorio di Las Cumbres e docente aggiunto dell'UCSB, "ma in questo caso penso che sia appropriato . Questa supernova ci sta letteralmente aiutando a decodificare record millenari provenienti da culture di tutto il mondo. E ci sta aiutando ad associare una cosa che non comprendiamo completamente, la Nebulosa del Granchio, con un'altra cosa di cui abbiamo incredibili registrazioni moderne, questa supernova. Nel processo ci sta insegnando la fisica fondamentale: come vengono create alcune stelle di neutroni, come vivono e muoiono le stelle estreme e come gli elementi di cui siamo fatti vengono creati e dispersi nell'universo". Il Dr. Howell è il leader del Global Supernova Project e il consulente per il dottorato di ricerca dell'autore principale.
Per ulteriori informazioni su questa ricerca:
Riferimento: "The electron-capture origin of supernova 2018zd" di Daichi Hiramatsu, D. Andrew Howell, Schuyler D. Van Dyk, Jared A. Goldberg, Keiichi Maeda, Takashi J. Moriya, Nozomu Tominaga, Ken'ichi Nomoto, Griffin Hosseinzadeh , Iair Arcavi, Curtis McCully, Jamison Burke, K. Azalee Bostroem, Stefano Valenti, Yize Dong, Peter J. Brown, Jennifer E. Andrews, Christopher Bilinski, G. Grant Williams, Paul S. Smith, Nathan Smith, David J. Sand, Gagandeep S. Anand, Chengyuan Xu, Alexei V. Filippenko, Melina C. Bersten, Gastón Folatelli, Patrick L. Kelly, Toshihide Noguchi e Koichi Itagaki, 28 giugno 2021, Astronomia naturale.
DOI: 10.1038/s41550-021-01384-2
DH, DAH, GH, CM e JB sono stati supportati dalle sovvenzioni AST-1313484 e AST-1911225 della National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti, nonché dalla sovvenzione 80NSSC19kf1639 della National Aeronautics and Space Administration (NASA).
