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 ospite starburst NGC 2146 (verso sinistra). Credito:NASA/STSCI/J. Depasquale; Osservatorio Las Cumbres
Un team mondiale guidato dagli scienziati dell'UC Santa Barbara presso l'Osservatorio di Las Cumbres ha scoperto la prima prova convincente di un nuovo tipo di esplosione stellare:una supernova a cattura di elettroni. Mentre sono stati teorizzati per 40 anni, gli esempi del mondo reale sono stati sfuggenti. Si pensa che derivino dalle esplosioni di massicce stelle super-asintotiche del ramo gigante (SAGB), per il quale ci sono state anche scarse prove. La scoperta, pubblicato in Astronomia della natura , getta nuova luce anche sul mistero millenario della supernova del 1054 d.C. che era visibile in tutto il mondo durante il giorno, prima di diventare la Nebulosa del Granchio.
Storicamente, le supernove sono divise in due tipi principali:collasso termonucleare e con nucleo di ferro. Una supernova termonucleare è l'esplosione di una nana bianca dopo che ha guadagnato materia in un sistema stellare binario. Queste nane bianche sono i nuclei densi 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. Una supernova con collasso del nucleo di ferro si verifica quando una stella massiccia, una massa più di circa 10 volte la massa del sole, esaurisce il combustibile nucleare e il suo nucleo di ferro collassa, creando un buco nero o una stella di neutroni. Tra questi due tipi principali di supernova ci sono le supernove a cattura di elettroni. Queste stelle fermano la fusione quando i loro nuclei sono fatti di ossigeno, neon e magnesio; non sono abbastanza massicci per creare il 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 dove la fusione si è fermata, 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 sì che il nucleo della stella si pieghi sotto il suo stesso peso e collassi, risultante 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 da sfuggire al collasso del suo nucleo, né è abbastanza pesante da prolungare la sua vita e morire più tardi con mezzi diversi.
Questa è la teoria che è stata formulata a partire dal 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 nelle loro stelle progenitrici 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. Allora la supernova a cattura di elettroni dovrebbe essere debole, hanno poche ricadute radioattive, e hanno elementi ricchi di neutroni nel nucleo.
Impressioni artistiche di una stella ramificata gigante super-asintotica e del suo nucleo costituito da ossigeno, neon e magnesio. Questo è lo stato finale delle stelle intorno a 8-10 masse solari, il cui nucleo è la pressione supportata da elettroni. Quando il nucleo diventa abbastanza denso, neon e magnesio iniziano a divorare 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 è guidato da Daichi Hiramatsu, uno studente laureato presso l'UC Santa Barbara e l'Osservatorio 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, alcuni dei quali sono stati visti 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 dal telescopio spaziale Hubble prima dell'esplosione e di rilevare la probabile stella progenitrice prima di essa. esploso. Le osservazioni erano coerenti con un'altra stella SAGB recentemente identificata nella Via Lattea, ma incoerente con i modelli di supergiganti rosse, i progenitori delle normali supernove a collasso del nucleo di ferro.
Gli autori hanno esaminato tutti i dati pubblicati sulle supernovae, e ha scoperto che mentre alcuni avevano alcuni degli indicatori previsti per le supernove a cattura di elettroni, solo SN 2018zd aveva tutti e sei:un apparente progenitore SAGB, forte perdita di massa pre-supernova, un'insolita composizione chimica stellare, una debole esplosione, poca radioattività e un nucleo ricco di neutroni.
"Abbiamo iniziato chiedendo 'che 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. nella Via Lattea avvenne una supernova che, secondo i registri cinesi e giapponesi, era così luminoso che poteva essere visto 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.
Questa immagine composita della Nebulosa del Granchio è stata assemblata combinando i dati di cinque telescopi che coprono quasi l'intera ampiezza dello spettro elettromagnetico. Credito:NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF e G. Dubner (Università di Buenos Aires)
La Nebulosa del Granchio era in precedenza il miglior candidato per una supernova a cattura di elettroni, ma il suo stato era incerto in parte perché l'esplosione avvenne quasi mille anni fa. Il nuovo risultato aumenta la fiducia che la storica SN 1054 fosse una supernova a cattura di elettroni. Spiega anche perché quella supernova era relativamente brillante rispetto ai modelli:la sua luminosità è stata probabilmente aumentata artificialmente dal materiale espulso dalla supernova in collisione con il materiale espulso dalla stella progenitrice, come è stato visto in SN 2018zd.
Ken Nomoto dell'IPMU di Kavli dell'Università di Tokyo ha espresso entusiasmo per la conferma della sua teoria. "Sono molto contento che la supernova a cattura di elettroni sia stata finalmente scoperta, che io e i miei colleghi avevamo previsto esistesse e avesse una connessione con la Nebulosa del Granchio 40 anni fa, " ha detto. "Apprezzo molto i grandi sforzi coinvolti nell'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 dell'Universo nella biblioteca del liceo, una delle quali era l'iconica Nebulosa del Granchio ripresa dal telescopio spaziale Hubble".
"Il termine Stele di Rosetta è usato troppo spesso come analogia quando troviamo un nuovo oggetto astrofisico, " ha detto Andrew Howell, uno scienziato del personale all'Osservatorio di Las Cumbres e una facoltà aggiunta all'UCSB, "ma in questo caso penso che sia appropriato. Questa supernova ci sta letteralmente aiutando a decodificare record millenari di culture di tutto il mondo. E ci sta aiutando ad associare una cosa che non comprendiamo appieno, 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 fatte alcune stelle di neutroni, come vivono e muoiono le stelle estreme, e su come gli elementi di cui siamo fatti vengono creati e sparsi nell'universo." Howell è anche il leader del Global Supernova Project, e il dottorato di ricerca dell'autore principale Hiramatsu. consulente.
