Le supernove, i finali violenti delle brevi ma brillanti vite di stelle massicce, sono tra gli eventi più catastrofici del cosmo. Sebbene le supernove segnino la morte delle stelle, innescano anche la nascita di nuovi elementi e la formazione di nuove molecole.

Nel febbraio 1987, gli astronomi hanno assistito a uno di questi eventi svolgersi all'interno della Grande Nube di Magellano, una minuscola galassia nana situata a circa 160, 000 anni luce dalla Terra.

Nei prossimi 30 anni, le osservazioni dei resti di quell'esplosione hanno rivelato dettagli mai visti prima sulla morte delle stelle e su come gli atomi si siano creati in quelle stelle, come il carbonio, ossigeno, e azoto si riversano nello spazio e si combinano per formare nuove molecole e polvere. Queste particelle microscopiche potrebbero alla fine trovare la loro strada nelle future generazioni di stelle e pianeti.

Recentemente, gli astronomi hanno utilizzato l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) per sondare il cuore di questa supernova, denominato SN 1987A. La capacità di ALMA di vedere dettagli straordinariamente fini ha permesso ai ricercatori di produrre un intricato rendering 3D di molecole appena formate all'interno del residuo di supernova. Questi risultati sono pubblicati nel Lettere per riviste astrofisiche .

I ricercatori hanno anche scoperto una varietà di molecole precedentemente non rilevate nel residuo. Questi risultati vengono visualizzati in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .

"Quando questa supernova è esplosa, ormai più di 30 anni fa, gli astronomi sapevano molto meno sul modo in cui questi eventi rimodellano lo spazio interstellare e su come il caldo, i detriti incandescenti di una stella esplosa alla fine si raffreddano e producono nuove molecole, " disse Rémy Indebetouw, un astronomo presso l'Università della Virginia e il National Radio Astronomy Observatory (NRAO) a Charlottesville. "Grazie ad ALMA, possiamo finalmente vedere la fredda "polvere di stelle" mentre si forma, rivelando importanti intuizioni sulla stella originale stessa e sul modo in cui le supernove creano gli elementi costitutivi di base dei pianeti".

Gli astronomi utilizzando i dati di ALMA hanno creato un'immagine 3D di molecole forgiate nei resti di una supernova, SN 1987A. Le aree viola indicano la posizione delle molecole di monossido di silicio (SiO). L'area gialla è la posizione delle molecole di monossido di carbonio (CO). L'anello blu è un dato reale di Hubble (idrogeno, o H-alfa) che è stato artificialmente espanso in 3-D. Attestazione:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), R. Indebetouw; Hubble NASA/ESA

Supernova - Dalla morte delle stelle alla nascita della polvere

Prima delle indagini in corso su SN 1987A, c'era solo così tanto che gli astronomi potevano dire sull'impatto delle supernove sui loro quartieri interstellari.

Si capiva bene che stelle massicce, quelli circa 10 volte la massa del nostro sole o più, hanno concluso la loro vita in modo spettacolare.

Quando queste stelle finiscono il carburante, non c'è più abbastanza calore ed energia per combattere la forza di gravità. I confini esterni della stella, una volta sorretto dal potere della fusione, poi si abbatte sul nucleo con una forza tremenda. Il rimbalzo di questo crollo innesca una potente esplosione che fa esplodere materiale nello spazio.

Come punto finale di stelle massicce, gli scienziati hanno scoperto che le supernove hanno effetti di vasta portata sulle loro galassie di origine. "La ragione per cui alcune galassie hanno l'aspetto che hanno oggi è in gran parte a causa delle supernove che si sono verificate in esse, " ha detto Indebetouw. "Anche se meno del dieci percento delle stelle diventa supernova, sono comunque la chiave per l'evoluzione delle galassie."

Questa visualizzazione scientifica illustra l'evoluzione della Supernova 1987A dal rigonfiamento iniziale della stella ospite e dall'esplosione della supernova all'onda d'urto in espansione e la formazione di molecole rilevate da ALMA nel resto. Credito:A. Angelich e B. Saxton, NRAO/AUI/NSF; R. Indebetouw et al., A. Angelich (NRAO/AUI/NSF); NASA/STScI/CfA/R. Kirshner; NASA/CXC/SAO/PSU/D. Burrows et al.; ESO; NASA/CXC/D.Berry/MIT/T.Delaney et al.; Laboratorio di immagini concettuali della NASA/Goddard Space Flight Center; ESO/C. Malin/B. Tafreshi/José Francisco Salgado. Musica:Geodesio

In tutto l'universo osservabile, le supernove sono abbastanza comuni, ma poiché appaiono - in media - circa una volta ogni 50 anni in una galassia delle dimensioni della Via Lattea, gli astronomi hanno preziose poche opportunità di studiarne uno dalla sua prima detonazione fino al punto in cui si raffredda abbastanza da formare nuove molecole. Sebbene SN 1987A non sia nella nostra galassia domestica, è ancora abbastanza vicino da consentire ad ALMA e ad altri telescopi di studiare nei minimi dettagli.

Acquisizione di immagini 3D di SN1987A con ALMA

Per decenni, Radio, ottico, e anche gli osservatori a raggi X hanno studiato SN 1987A, ma oscurare la polvere nel resto ha reso difficile l'analisi del nucleo più interno della supernova. La capacità di ALMA di osservare a lunghezze d'onda millimetriche - una regione dello spettro elettromagnetico compresa tra la luce infrarossa e quella radio - rende possibile vedere attraverso la polvere interposta. I ricercatori sono stati quindi in grado di studiare l'abbondanza e la posizione delle molecole appena formate, in particolare il monossido di silicio (SiO) e il monossido di carbonio (CO), che brillano alle brevi lunghezze d'onda submillimetriche che ALMA può percepire.

La nuova immagine e animazione di ALMA mostrano nuovi vasti negozi di SiO e CO in discreti, grumi aggrovigliati all'interno del nucleo di SN 1987A. Gli scienziati hanno precedentemente modellato come e dove sarebbero apparse queste molecole. Con ALMA, i ricercatori sono finalmente riusciti a catturare immagini con una risoluzione sufficientemente alta da confermare la struttura all'interno del residuo e testare quei modelli.

Oltre a ottenere questa immagine 3D di SN 1987A, i dati ALMA rivelano anche dettagli convincenti su come le sue condizioni fisiche sono cambiate e continuano a cambiare nel tempo. Queste osservazioni forniscono anche approfondimenti sulle instabilità fisiche all'interno di una supernova.

Nuovi approfondimenti da SN 1987A

Osservazioni precedenti con ALMA hanno verificato che SN 1987A produceva un'enorme quantità di polvere. Le nuove osservazioni forniscono ancora più dettagli su come la supernova ha prodotto la polvere e sul tipo di molecole trovate nel resto.

"Uno dei nostri obiettivi era osservare SN 1987A in una ricerca cieca di altre molecole, " ha detto Indebetouw. "Ci aspettavamo di trovare monossido di carbonio e monossido di silicio, poiché avevamo precedentemente rilevato queste molecole." Gli astronomi, però, erano entusiasti di trovare le molecole formil catione (HCO+) e monossido di zolfo (SO) precedentemente non rilevate.

"Queste molecole non erano mai state rilevate prima in un giovane residuo di supernova, " ha osservato Indebetouw. "HCO+ è particolarmente interessante perché la sua formazione richiede una miscelazione particolarmente vigorosa durante l'esplosione." Le stelle forgiano elementi in strati discreti simili a cipolle. Come una stella diventa una supernova, queste band un tempo ben definite subiscono violente mescolanze, contribuendo a creare l'ambiente necessario per la formazione di molecole e polvere.

Gli astronomi stimano che circa 1 atomo di silicio su 1000 della stella esplosa si trovi ora nelle molecole di SiO che fluttuano liberamente. La stragrande maggioranza del silicio è già stata incorporata nei granelli di polvere. Anche la piccola quantità di SiO presente è 100 volte maggiore di quanto previsto dai modelli di formazione della polvere. Queste nuove osservazioni aiuteranno gli astronomi a perfezionare i loro modelli.

Queste osservazioni rilevano anche che il dieci percento o più del carbonio all'interno del residuo è attualmente nelle molecole di CO. Solo pochi su ogni milione di atomi di carbonio sono nelle molecole di HCO+.

Nuove domande e ricerca futura

Anche se le nuove osservazioni di ALMA hanno gettato luce importante su SN 1987A, ci sono ancora diverse domande che rimangono. Quanto sono abbondanti esattamente le molecole di HCO+ e SO? Ci sono altre molecole che devono ancora essere rilevate? Come continuerà a cambiare nel tempo la struttura 3D di SN 1987A?

Le future osservazioni di ALMA a diverse lunghezze d'onda possono anche aiutare a determinare quale tipo di oggetto compatto, una pulsar o una stella di neutroni, risiede al centro del residuo. La supernova probabilmente ha creato uno di questi oggetti stellari densi, ma finora non è stato rilevato nessuno.