Schnelle Aktion Lassen Sie Hubble die frühesten Stadien einer sich entfaltenden Supernova-Detonation beobachten

Ohne Supernova-Überreste hätten wir nicht viel Wissen über Supernovae selbst. Wenn eine Supernova-Explosion das Ende des Lebens eines Sterns bedeutet, können wir auch der forensischen Astrophysik einen Großteil unseres Wissens verdanken. Die massereichen explodierenden Sterne hinterlassen brillante und faszinierende Beweise für ihr katastrophales Ende, und vieles, was wir über Supernovae wissen, stammt aus dem Studium der Überreste und nicht der Explosionen selbst. Supernova-Überreste wie die Krebsnebel und SN 1604 (Keplers Supernova) sind einige unserer am meisten untersuchten Objekte.

Eine aktive Supernova im Griff ihrer eigenen Zerstörung zu beobachten, kann schwierig sein. Aber es sieht so aus, als ob das Hubble-Weltraumteleskop dieser Aufgabe gewachsen ist.

Kürzlich hat ein Team von Wissenschaftlern Hubble-Daten zusammen mit anderen Beobachtungen verwendet, um uns einen detaillierten Überblick über den Anfang vom Ende einer Supernova eines massereichen Sterns zu geben. Es heißt SN 2020fqv und ist etwa 60 Millionen Lichtjahre entfernt in den sogenannten Interacting Butterfly Galaxies (NGC 4567 und NGC 4568).

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in einem Papier mit dem Titel „ Vorläufer und nahes zirkumstellares Medium der Typ II Supernova 2020fqv aus Hochkadenz-Photometrie und ultraschneller UV-Spektroskopie .“ Es wird in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht. Der Hauptautor ist Samaporn Tinyanont, ein Postdoktorand an der UC Santa Cruz.

Der explodierende Stern wurde zuerst von den Übergangseinrichtung Zwicky , und Astronomen erkannten auch, dass TESS ( Transienter Exoplaneten-Vermessungssatellit ) beobachtete die Supernova, die sich zufällig im aktiven Beobachtungsbereich des Satelliten befand. Während diese beiden Einrichtungen gut darin sind, Dinge wie Supernovae zu finden, sind sie nicht gut darin, sie im Detail zu untersuchen. (Die Hauptaufgabe von TESS besteht darin, Exoplaneten zu finden, aber es wurden viele Supernovae gesichtet. Tatsächlich Papier vor einem Jahr veröffentlicht , sagten Astronomen voraus, dass TESS eine Rolle bei der Erkennung einer Supernova in diesen frühen Stadien der Zerstörung spielen könnte.) Supernova-Explosionen sind eine große Sache in der Welt der Astronomie/Astrophysik, also beeilten sich Astronomen, den Hubble und andere bodengestützte Einrichtungen auf SN 2020fqv . auszurichten .

Dies stellte sich als sehr glücklicher Zufall heraus. Astronomen konnten den Stern in seinem frühesten Stadium der Zerstörung sehen. Bemerkenswerterweise untersuchte die Hubble das zirkumstellare Medium (CSM) der Explosion nur wenige Stunden nach der Explosion. Das Weltraumteleskop nahm nur 26 Stunden nach der Explosion des Sterns sein erstes Spektrum des CSM auf. Dieses Material wurde in seinen letzten Tagen vom Stern weggeblasen, und all diese Beobachtungen halfen Astronomen zu verstehen, was mit einer Supernova passiert, kurz bevor sie stirbt.

„Wir kommen selten dazu, dieses sehr nahe zirkumstellare Material zu untersuchen, da es nur für sehr kurze Zeit sichtbar ist, und wir beginnen normalerweise erst einige Tage nach der Explosion mit der Beobachtung einer Supernova“, erklärt Hauptautor Tinyanont in ein Pressemitteilung . „Für diese Supernova konnten wir mit Hubble ultraschnelle Beobachtungen machen, die eine beispiellose Abdeckung der Region direkt neben dem explodierten Stern ermöglichen.“

Diese Zahl aus der Studie zeigt eine Beobachtungszeitlinie von SN 2020fqv. Beachten Sie die große Menge an TESS-Beobachtungen und das erste Spektrum nur 26 Stunden nach der Explosion. TESS beobachtete die Supernova vor ihrer Entdeckung, weil TESS zufällig bereits in diese Richtung zeigte. STIS ist ein Space Telescope Imaging Spectrograph; COS ist ein kosmischer Ursprungs-Spektrograph; HST ToO ist das Hubble Space Telescope Target of Opportunity.

Massive Sterne verlieren am Ende ihres Lebens viel Masse. Dieses Material bildet das zirkumstellare Medium (CSM), das den Stern umgibt. Aber der CSM ist nie einheitlich; es gibt unterschiedliche Dichteprofile, unterschiedliche physikalische Ausdehnungen und unterschiedliche Massen. Und verschiedene Prozesse wie Sternwinde, Instabilitäten bei der Kernverbrennung im Inneren des Sterns selbst und Wechselwirkungen mit irgendwelchen binären Begleitern schaffen diese Unterschiede.

Es herrscht Unsicherheit darüber, wie all diese Prozesse in einer Supernova ablaufen, und es ist ein wichtiges Forschungsgebiet der Astrophysik. SN 2020fqv gibt Astrophysikern die Möglichkeit, zu untersuchen, wie all diese Prozesse das CSM formen, was ihnen wiederum viel über den Vorläuferstern sagt, einschließlich seiner inneren Struktur und seiner Ursprünge.

Hubble-Beobachtungen von SN 2020fqv reichen bis in die 90er Jahre zurück und das Team hat diese Daten in seiner Studie verwendet. Auch TESS hat die Supernova beobachtet, und ihre Beobachtungen reichen bis mehrere Tage vor der Explosion zurück. TESS machte während der Explosion und mehrere Wochen danach alle dreißig Minuten Bilder des Sterns. Als Astronomen die Explosion der Supernova entdeckten, richteten sie auch den Hubble darauf. Mit jahrzehntelangen Daten und neuen detaillierten Beobachtungen des zirkumstellaren Materials um den Stern herum erstellte das Forscherteam eine jahrelange Aufzeichnung des Supernova-Explosionsprozesses.

Diese TESS-Bilder aus der Studie zeigen einige der Detektivarbeiten, die in die Forschung eingeflossen sind. Das Bild durchläuft Reduktionsstufen von Roh- zu Differenzbildern. Das Rohbild zeigt das Vorhandensein von Detektorbändern und das gesamte Streulicht aufgrund der Ausrichtung von TESS zum Zeitpunkt des Bildes. Das Hintergrundbild ist ein Hintergrundbild des Instruments, das noch die Riemen und das Streulicht zeigt. Das subtrahierte Hintergrundbild zeigt den Himmel, und das Differenzbild verwendet ein Vorexplosionsbild, um die Wirtsgalaxie der Supernova zu subtrahieren, sodass nur SN 2020fqv innerhalb eines roten Kreises verbleibt. Bildquelle: Tinyanont et al. 2021.

„Früher sprachen wir über Supernova-Arbeit, als wären wir Ermittler am Tatort, bei denen wir nach der Tat auftauchten und versuchten, herauszufinden, was mit diesem Stern passiert ist“, erklärte Ryan Foley von der University of California in Santa Cruz, der Leiter von das Team, das diese Entdeckung gemacht hat. 'Dies ist eine andere Situation, weil wir wirklich wissen, was vor sich geht und wir den Tod tatsächlich in Echtzeit sehen.'

„Jetzt haben wir diese ganze Geschichte darüber, was mit dem Stern in den Jahren vor seinem Tod passiert ist, bis zum Tod und dann über die Folgen davon“, sagte Foley. 'Dies ist wirklich die detaillierteste Ansicht von Sternen wie diesem in ihren letzten Momenten und wie sie explodieren.'

Eine entscheidende Tatsache bei der Untersuchung von Supernovae oder Sternen ist ihre Masse. Das Leben eines Sterns wird durch seine Anfangsmasse vorhergesagt. Die detaillierten Beobachtungen der Explosion von SN 2020fqv gaben Astronomen die Möglichkeit, seine Masse auf drei verschiedene Arten zu messen, die alle miteinander übereinstimmten: theoretische Modelle, Sauerstoffgehalt und Archivbilder. Das Verständnis der Masse einer Supernova ist entscheidend für das Verständnis des Supernova-Prozesses selbst. In diesem Fall beträgt die Masse des Sterns etwa das 14- bis 15-fache der Sonnenmasse.

Da es so viele Daten zu SN 2020fqv gibt, insbesondere die Daten zu den Bedingungen unmittelbar nach der Explosion, bezeichnet das Team die Supernova als a Rosetta Stone .

„Die Leute verwenden oft den Begriff ‚Rosetta Stone‘. Aber dies ist das erste Mal, dass wir die Masse mit diesen drei verschiedenen Methoden für eine Supernova nachweisen können, und alle sind konsistent“, sagte Tinyanont. „Jetzt können wir mit diesen verschiedenen Methoden vorankommen und sie kombinieren, weil es viele andere Supernovae gibt, bei denen wir Massen von einer Methode haben, aber nicht von einer anderen.“

Künstlerische Darstellung eines Sterns, der zur Supernova wird und seinen chemisch angereicherten Inhalt in das Universum wirft. Bildnachweis: NASA/Swift/Skyworks Digital/Dana Berry

Wenn SN 2020fqv eine Art Rosetta-Stein ist, könnte er als Warnung dienen, wenn andere Sterne zur Supernova werden. In den Jahren vor einer Supernova-Explosion wird der Stern aktiver. Ihre Leuchtkraft kann schwanken und sie können Material ablösen. Zum Beispiel hat sich Beteigeuze in den letzten Jahren seltsam verhalten und Astronomen fragten sich, ob sie kurz vor der Explosion stand. (Astronomen haben jedoch andere Erklärungen für das Verhalten von Beteigeuze gefunden, und sie erwarten nicht, dass es in absehbarer Zeit explodiert.)

„Das könnte ein Warnsystem sein“, sagte Foley. „Wenn Sie also sehen, wie ein Star ein wenig zu zittern beginnt, sollten wir vielleicht mehr aufpassen und wirklich versuchen, zu verstehen, was dort vor sich geht, bevor er explodiert. Wenn wir mit diesem exzellenten Datensatz immer mehr dieser Supernovae finden, können wir besser verstehen, was in den letzten Lebensjahren eines Sterns passiert.“

SN 2020fqv ist eine Kernkollaps-Supernova (CCSN). Es ist ein Typ II-P, der der häufigste Untertyp von CCSNs ist. Das P im Namen bedeutet Plateau. Es bezieht sich darauf, wie ihre Lichtkurven für einen Zeitraum nach der Explosion ein Plateau erreichen, was sie von anderen Typ-II-Supernovae unterscheidet. Aber ihre Gemeinsamkeit hat nicht zu einem sehr vollständigen Verständnis geführt. Jüngste Beobachtungen von Typ II-Ps haben ungeklärte Phänomene aufgedeckt, die unsere aktuellen Modelle nicht erklären können.

Diese Arbeit, die dank der hochkadenziellen Beobachtungen von TESS besonders gut informiert ist, könnte helfen, einige dieser Phänomene zu erklären. Es zeigt den Autoren sicherlich, dass die späte Entwicklung massereicher Sterne komplexer ist, als wir dachten.

Das kommende Vera-Rubin-Observatorium sollte unserem Verständnis von Supernovae wie SN 2020fqv einen großen Schub geben. „… das Vera Rubin-Observatorium wird in der Lage sein, Multiband-Lichtkurven aller SNe II-P bis zu etwa 400 Mpc zu erzeugen, was eine wirklich systematische Untersuchung der CSM-Wechselwirkungen um SNe II-P ermöglicht“, schreiben die Autoren in ihrer Schlussfolgerung .

Dieses Studium erfordert etwas Glück. Die Hubble-Daten zu SN 2020fqv reichen Jahre zurück, und sowohl diese Daten als auch die schnell reagierenden Beobachtungen von Hubble haben dazu beigetragen, diese Arbeit möglich zu machen.

Das Vera-Rubin-Teleskop und andere kommende Einrichtungen könnten das Hubble in vielerlei Hinsicht übertreffen. Aber die Leute, die den Hubble entworfen und gebaut und das Projekt vorangetrieben haben, zeigen, dass sich ihre Weitsicht weiterhin auszahlt.

Unser wachsendes Wissen über Supernovae und viele andere Phänomene zeigt, dass Hubbles Beitrag immer noch entscheidend ist.

Mehr:

• Pressemitteilung: Hubble gibt einen beispiellosen frühen Blick auf die Zerstörung eines zum Scheitern verurteilten Sterns
• Veröffentlichte Forschung: Vorläufer und nahes zirkumstellares Medium der Typ II Supernova 2020fqv aus Hochkadenz-Photometrie und ultraschneller UV-Spektroskopie
• Universum heute: Vor 2,5 Millionen Jahren explodierte eine Supernova in gefährlicher Nähe zur Erde