Een internationaal team van astronomen, waaronder professor Mike Barlow van de UCL (University College London), heeft het eerste sluitende bewijs ontdekt dat er een neutronenster bestaat in het centrum van Supernova 1987A, een sterexplosie die 37 jaar geleden werd waargenomen.

Supernova's zijn het spectaculaire eindresultaat van de ineenstorting van sterren die zwaarder zijn dan 8 tot 10 keer de massa van de zon. Zij zijn de belangrijkste bronnen van chemische elementen (zoals koolstof, zuurstof, silicium en ijzer) die het leven mogelijk maken. De ingestorte kern van deze exploderende sterren kan resulteren in veel kleinere neutronensterren, bestaande uit de dichtste materie in het bekende heelal, of zwarte gaten.

Supernova 1987A, gelegen in de Grote Magelhaense Wolk, een naburig dwergstelsel, was de dichtstbijzijnde, helderste supernova die in 400 jaar aan de nachtelijke hemel werd waargenomen.

Neutrino's, onvoorstelbaar kleine subatomaire deeltjes, werden geproduceerd in de supernova en gedetecteerd op aarde (23 februari 1987) de dag voordat de supernova werd waargenomen, wat erop wijst dat er zich een neutronenster moet hebben gevormd. Het is echter niet bekend of de neutronenster bleef bestaan ​​of ineenstortte tot een zwart gat, omdat de ster verduisterd is door stof dat zich na de explosie heeft gevormd.

In de nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift Science gebruikten onderzoekers twee instrumenten van de James Webb Space Telescope (JWST), MIRI en NIRSpec, om de supernova op infrarode golflengten waar te nemen en vonden ze bewijs van zware argon- en zwavelatomen waarvan de buitenste elektronen waren verwijderd (dat wil zeggen dat de atomen waren geïoniseerd). dichtbij de plaats waar de sterexplosie plaatsvond.

Het team heeft verschillende scenario's gemodelleerd en ontdekt dat deze atomen alleen geïoniseerd konden zijn door ultraviolette en röntgenstraling van een hete, afkoelende neutronenster of, als alternatief, door de winden van relativistische deeltjes die versneld werden door een snel roterende neutronenster en in wisselwerking stonden met omringend supernovamateriaal (pulsarwindnevel).

Als het eerste scenario waar is, zou het oppervlak van de neutronenster ongeveer een miljoen graden bedragen, nadat het was afgekoeld van ongeveer 100 miljard graden op het moment van vorming in de kern van de ineenstorting, ruim dertig jaar eerder.

Co-auteur professor Mike Barlow (UCL Physics &Astronomy) zei:"Onze detectie met James Webb's MIRI- en NIRSpec-spectrometers van sterke geïoniseerde argon- en zwavelemissielijnen vanuit het centrum van de nevel rond Supernova 1987A is een direct bewijs van de aanwezigheid van een centrale bron van ioniserende straling. Onze gegevens kunnen alleen worden aangevuld met een neutronenster als krachtbron voor die ioniserende straling.

‘Deze straling kan worden uitgezonden door het miljoen graden oppervlak van de hete neutronenster, maar ook door een pulsarwindnevel die zou kunnen zijn ontstaan ​​als de neutronenster snel ronddraait en geladen deeltjes eromheen sleept.

"Het mysterie over de vraag of een neutronenster zich in het stof verbergt, duurt al meer dan dertig jaar en het is spannend dat we het hebben opgelost.

‘Supernova’s zijn de belangrijkste bronnen van chemische elementen die leven mogelijk maken – dus we willen dat onze modellen ervan kloppen. Er is geen ander object zoals de neutronenster in Supernova 1987A, zo dichtbij ons en zo recentelijk gevormd. Omdat de het materiaal eromheen breidt zich uit, we zullen er in de loop van de tijd meer van zien."

Professor Claes Fransson (Universiteit van Stockholm, Zweden), de hoofdauteur van het onderzoek, zei:"Dankzij de uitstekende ruimtelijke resolutie en uitstekende instrumenten op JWST hebben we voor het eerst het centrum van de supernova kunnen onderzoeken en wat is daar gemaakt.

‘We weten nu dat er een compacte bron van ioniserende straling bestaat, hoogstwaarschijnlijk van een neutronenster. We zijn hier al naar op zoek vanaf het moment van de explosie, maar moesten wachten tot JWST de voorspellingen kon verifiëren.’

Dr. Patrick Kavanagh (Maynooth University, Ierland), een andere auteur van het onderzoek, zei:“Het was zo spannend om voor het eerst naar de JWST-waarnemingen van SN 1987A te kijken. Toen we de MIRI- en NIRSpec-gegevens controleerden, bleek de zeer heldere emissie uit argon in het midden van SN 1987A sprong eruit. We wisten meteen dat dit iets bijzonders was dat eindelijk de vraag over de aard van het compacte object zou kunnen beantwoorden."

Professor Josefin Larsson (Royal Institute of Technology (KTH), Zweden), co-auteur van het onderzoek, zei:"Deze supernova blijft ons verrassen. Niemand had voorspeld dat het compacte object zou worden gedetecteerd via een supersterke emissielijn van argon, dus het is wel grappig dat we het zo hebben gevonden in de JWST."

Modellen geven aan dat zware argon- en zwavelatomen in grote hoeveelheden worden geproduceerd als gevolg van nucleosynthese in massieve sterren, vlak voordat ze exploderen.

Terwijl het grootste deel van de massa van de exploderende ster nu uitdijt met een snelheid van wel 10.000 km/seconde en zich over een groot volume verspreidt, werden de geïoniseerde argon- en zwavelatomen dichtbij het centrum waar de explosie plaatsvond waargenomen.

De ultraviolette en röntgenstraling waarvan wordt gedacht dat ze de atomen hebben geïoniseerd, werd in 1992 voorspeld als een unieke signatuur van een nieuw gecreëerde neutronenster.

Deze geïoniseerde atomen werden gedetecteerd door de MIRI- en NIRSpec-instrumenten van James Webb met behulp van een techniek genaamd spectroscopie, waarbij licht in een spectrum wordt verspreid, waardoor astronomen licht op verschillende golflengten kunnen meten om de fysieke eigenschappen van een object te bepalen, inclusief de chemische samenstelling.

Een UCL-team van het Mullard Space Science Laboratory ontwierp en bouwde de kalibratiebron van NIRSpec, waarmee het instrument nauwkeurigere metingen kan uitvoeren door een gelijkmatige referentieverlichting van de detectoren te bieden.

Bij het nieuwe onderzoek waren onderzoekers betrokken uit Groot-Brittannië, Ierland, Zweden, Frankrijk, Duitsland, de Verenigde Staten, Nederland, België, Zwitserland, Oostenrijk, Spanje en Denemarken.

Over Supernova (SN) 1987A

SN 1987A is de meest bestudeerde en best waargenomen supernova van allemaal.

Exploderend op 23 februari 1987 in de Grote Magelhaense Wolk aan de zuidelijke hemel op een afstand van 160.000 lichtjaar, was het de dichtstbijzijnde supernova sinds de laatste supernova met het blote oog waargenomen door Johannes Kepler in 1604. Voordat hij vervaagde, zou SN 1987A enkele maanden lang kunnen zijn zelfs op deze afstand met het blote oog te zien.

Nog belangrijker is dat het de enige supernova is die via zijn neutrino's is gedetecteerd. Dit is van groot belang omdat werd voorspeld dat 99,9% van de enorme energie die bij deze gebeurtenis wordt uitgestoten verloren zou gaan als deze extreem zwak op elkaar inwerkende deeltjes.

De resterende 0,1% verschijnt in de uitzettingsenergie van het overblijfsel en als licht. Van het enorme aantal (ongeveer 10 tot de macht 58) uitgezonden neutrino's werden er ongeveer 20 gedetecteerd door drie verschillende detectoren rond de aarde, vanaf de ineenstorting in de kern van de ster op 23 februari om 7:35:35 UT.

P>

SN 1987A was ook de eerste supernova waarbij de ontplofte ster kon worden geïdentificeerd aan de hand van beelden die vóór de explosie waren gemaakt. Naast de neutrino's is het meest interessante resultaat van de ineenstorting en explosie de voorspelling dat er een zwart gat of neutronenster is ontstaan. Dit vormt alleen de centrale kern van de ingestorte ster, met een massa van 1,5 maal die van de zon. De rest wordt uitgestoten met een snelheid tot 10% van de lichtsnelheid en vormt het uitdijende overblijfsel dat we vandaag rechtstreeks waarnemen.

De 'lange' duur van de neutrino-uitbarsting van tien seconden duidde op de vorming van een neutronenster, maar ondanks verschillende interessante aanwijzingen uit radio- en röntgenwaarnemingen was er tot nu toe geen sluitend bewijs voor een compact object gevonden. onopgelost probleem voor SN 1987A.

Een belangrijke reden hiervoor kan de grote massa stofdeeltjes zijn die, zoals we weten, gevormd werd in de jaren na de explosie. Dit stof kan het grootste deel van het zichtbare licht uit het centrum blokkeren en daardoor het compacte object op zichtbare golflengten verbergen.

Twee scenario's van een neutronenster

In hun onderzoek bespreken de auteurs twee hoofdmogelijkheden:ofwel straling van de hete, miljoen graden pasgeboren neutronenster, ofwel straling van energetische deeltjes die versneld worden in het sterke magnetische veld van de snel roterende neutronenster (pulsar). Dit is hetzelfde mechanisme als in de beroemde Krabnevel met zijn pulsar in het midden, het overblijfsel van de supernova waargenomen door Chinese astronomen in 1054.

Modellen van deze twee scenario's resulteren in vergelijkbare voorspellingen voor het spectrum, die goed overeenkomen met de waarnemingen, maar moeilijk van elkaar te onderscheiden zijn. Verdere waarnemingen met JWST en telescopen op de grond in zichtbaar licht, evenals met de Hubble-ruimtetelescoop, kunnen deze modellen mogelijk van elkaar onderscheiden.

In beide gevallen leveren deze nieuwe waarnemingen met JWST overtuigend bewijs voor een compact object, hoogstwaarschijnlijk een neutronenster, in het centrum van SN 1987A.

Samenvattend geven deze nieuwe waarnemingen van JWST, samen met de eerdere waarnemingen van de voorlopercellen en neutrino's, een compleet beeld van dit unieke object.

Meer informatie: C. Fransson, Emissielijnen als gevolg van ioniserende straling van een compact object in het overblijfsel van Supernova 1987A, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adj5796. www.science.org/doi/10.1126/science.adj5796

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door University College London