On yıl içindeki en yakın süpernova, patlayan yıldızların nasıl evrimleştiğini ortaya koyuyor

Alex Filippenko partiye teleskop getiren türden bir adam. Her zamanki gibi, bu yıl 18 Mayıs’ta düzenlenen bir partide, yıldız kümeleri ve renkli galaksilerin (dramatik sarmal Fırıldak Gökadası dahil) görüntüleriyle ev sahiplerini büyüledi ve her birinin teleskopik fotoğraflarını çekti.

Ancak ertesi öğleden sonra geç saatlerde Fırıldak Gökadasında parlak bir süpernovanın keşfedildiğini öğrendi. Bakın, onu bir önceki gece saat 23:00’te, patlamanın 19 Mayıs’ta amatör gökbilimci Koichi Itagaki tarafından Japonya’da keşfedilmesinden on bir buçuk saat önce de yakalamıştı.

Berkeley’deki California Üniversitesi’nde astronomi profesörü olan Filippenko, yüksek lisans öğrencisi Sergiy Vasylyev ve doktora sonrası araştırmacı Yi Yang, birkaç saat sonra patlayan yıldıza odaklanmak için UC’nin Hamilton Dağı’ndaki Lick Gözlemevi’nde planladıkları gözlemleri yayınladılar. SN 2023ixf olarak adlandırıldı. Onlar ve diğer yüzlerce gökbilimci, 2014’ten bu yana Dünya’dan yalnızca 21 milyon ışıkyılı uzaklıktaki en yakın süpernovayı gözlemlemek için sabırsızlanıyordu.

Bu gözlemler, bir süpernovadan gelen polarize ışığın şimdiye kadarki en eski ölçümleriydi ve bir yıldız patlamasının gelişen şeklini daha net bir şekilde gösteriyordu. Süpernova gibi uzak kaynaklardan gelen ışığın polarizasyonu, mekansal olarak çözülemeyen olaylar için bile ışığı yayan nesnenin geometrisi hakkında en iyi bilgiyi sağlar.

Filippenko, “Bazı yıldızlar patlamadan önce dalgalanmalardan (maddenin bir kısmını yavaşça dışarı atan düzensiz davranış) geçer; böylece süpernova patladığında şok dalgası ya da ultraviyole radyasyon, maddenin parıldamasına neden olur” dedi. “Spektropolarimetri ile ilgili harika olan şey, yıldız çevresindeki malzemenin şekli ve kapsamı hakkında bazı göstergeler elde edebilmemizdir.”

Spektropolarimetri verileri, güneşimizden yaklaşık 10 ila 20 kat daha büyük bir kırmızı süper dev yıldızın son yıllarına ilişkin mevcut senaryolara uygun bir hikaye anlatıyordu: Patlamadan elde edilen enerji, yıldızın önceki birkaç yılda saçtığı gaz bulutlarını yaktı; fırlatma daha sonra başlangıçta yıldız çevresindeki malzemenin kütlesine dik olarak bu gazı deldi; ve son olarak, püskürme çevredeki gazı yuttu ve hızla genişleyen ancak simetrik bir enkaz bulutuna dönüştü.

Büyük bir yıldızın demir çekirdeğinin çökmesinden kaynaklanan Tip II süpernova patlaması, muhtemelen arkasında yoğun bir nötron yıldızı veya bir kara delik bırakmıştır. Bu tür süpernovalar, uzak galaksilere olan mesafeleri ölçmek ve kozmosun haritasını çıkarmak için kalibre edilebilir mumlar olarak kullanılıyor.

UC Berkeley astronomi yardımcı doçenti Ryan Chornock liderliğindeki başka bir gökbilimci grubu, Lick Gözlemevi’ndeki aynı teleskopu kullanarak spektroskopik veriler topladı. Yüksek lisans öğrencisi Wynn Jacobson-Galán ve profesör Raffaella Margutti, yıldızın patlama öncesi ve sonrası geçmişini yeniden yapılandırmak için verileri analiz ettiler ve çöküp patlamadan önceki üç ila altı yıl boyunca gaz saçtığına dair kanıtlar buldular. Patlamadan önce dökülen veya püskürtülen gazın miktarı, toplam kütlesinin %5’i kadar olabilirdi; bu, süpernova püskürmesinin içinden geçmek zorunda kaldığı yoğun bir malzeme bulutu oluşturmaya yetecek kadardı.

Jacobson-Galán, “Sanırım bu süpernova, çoğumuzun, patlamadan önce çok fazla madde kaybeden kırmızı süperdev popülasyonunun incelikleri hakkında çok daha ayrıntılı düşünmesini sağlayacak ve kütle kaybına ilişkin varsayımlarımızı sorgulayacak” dedi. “Bu, bu patlamaların geometrisini ve kütle kaybının geometrisini daha ayrıntılı olarak anlamak için mükemmel bir laboratuvardı; bu bizim zaten bilgisiz olduğumuz bir konu.”

Vasylyev, Tip II süpernovaların nasıl evrimleştiğinin daha iyi anlaşılmasının, genişleyen evrende mesafe ölçümü olarak kullanımlarının iyileştirilmesine yardımcı olabileceğini söyledi.

Bu gözlemleri anlatan iki makale yayınlanmak üzere kabul edildi. Astrofizik Günlük Mektupları. Margutti ve Chornock her iki makalenin ortak yazarlarıdır ve bunlar şu anda internette mevcuttur. arXiv ön baskı sunucusu.

Bugüne kadar en çok incelenen süpernovalardan biri

Süpernovanın ışığının Dünya’ya ulaşmasından bu yana geçen üç aydan fazla süre içinde, belki de üç düzine makale sunuldu veya yayınlandı; patlamadan gelen ışık gelmeye devam ettikçe ve çeşitli teleskopların gözlemleri analiz edildikçe daha fazlası da gelecek.

“Tip II süpernova dünyasında, sert X-ışınlarından yumuşak X-ışınlarına, ultraviyole, optik, yakın kızılötesi, radyo ve milimetreye kadar temel olarak her dalga boyunun tespit edilmesi çok nadirdir. Yani bu gerçekten nadir ve benzersiz bir şey. fırsat” dedi Berkeley fizik ve astronomi profesörü Margutti. “Bu yazılar bir hikayenin başlangıcı, ilk bölümü. Şimdi o yıldızın hikayesinin diğer bölümlerini yazıyoruz.”

Chornock, “Buradaki büyük resimdeki soru, bir yıldızın nasıl yaşadığı ile bir yıldızın nasıl öldüğü arasında bağlantı kurmak istiyoruz” dedi. “Bu olayın yakınlığı göz önüne alındığında, incelediğimiz diğer süpernovaların çoğunda yapmak zorunda olduğumuz basitleştirici varsayımlara meydan okumamıza olanak tanıyacak. O kadar çok ayrıntıya sahibiz ki, bunu nasıl yapacağımızı bulmamız gerekecek.” bu özel nesneyi anlamak için hepsini bir araya getirin ve bu, daha geniş evrene dair anlayışımızı bilgilendirecektir.”

Lick Gözlemevi’nin San Jose yakınlarındaki Hamilton Dağı’nın tepesindeki teleskopları, gökbilimcilerin süpernovanın tam bir resmini oluşturma çabaları açısından kritik öneme sahipti. Shane’in 120 inçlik teleskopundaki Kast spektrografı, normal bir spektrometreden spektropolarimetreye hızlı bir şekilde geçiş yapabiliyor; bu da Vasylyev ve Filippenko’nun hem spektrum hem de polarizasyon ölçümlerini elde etmesine olanak tanıyor. Jacobson-Galán, Chornock ve Margutti liderliğindeki grup, Genç Süpernova Deneyi işbirliğiyle Hawaii’deki Pan-STARRS teleskopundan fotometri (parlaklık ölçümleri) ile birlikte Nickel 40 inçlik teleskop üzerindeki hem Kast spektrografını hem de fotometreyi kullandı.

Bir nesne tarafından yayılan ışığın polarizasyonu, yani elektromanyetik dalganın elektrik alanının yönelimi, nesnenin şekli hakkında bilgi taşır. Örneğin küresel simetrik bir buluttan gelen ışık, elektrik alanları simetrik olarak birbirini götürdüğü için polarize olmayacaktır. Ancak uzun bir nesneden gelen ışık sıfırdan farklı bir polarizasyon üretecektir.

Süpernovaların polarimetri ölçümleri otuz yılı aşkın bir süredir devam ederken, çok azı bu tür ölçümler için yeterince yakın ve dolayısıyla yeterince parlaktır. Ve SN 2023ixf’de olduğu gibi patlamadan 1,4 gün sonra başka hiçbir süpernova gözlemlenmedi.

Gözlemler bazı sürprizlerle sonuçlandı.

Vasylyev, “En heyecan verici şey, bu süpernovanın erken zamanlarda neredeyse %1 gibi çok yüksek bir süreklilik polarizasyonu göstermesidir.” dedi. “Bu küçük bir sayı gibi görünüyor ama aslında küresel simetriden çok büyük bir sapma.”

Araştırmacılar, kutuplaşmanın değişen yoğunluğuna ve yönüne dayanarak, patlayan yıldızın evriminde üç farklı aşamayı tespit edebildiler. Patlamadan sonraki bir ila üç gün arasında, yıldızın etrafındaki ortamdan gelen emisyon, belki de yıldızın daha önce döktüğü malzeme diski veya orantısız gaz damlası ışığa hakim oldu. Bunun nedeni çevredeki gazın patlamadan kaynaklanan ultraviyole ve X-ışını ışığıyla iyonlaşması ve şok iyonizasyonu olarak adlandırılan yıldız malzemesinin gazın içinden geçmesiydi.

Yang, “Başlangıçta, gördüğümüz ışığın çoğunun, yaklaşık 30 AU civarında bir yerde sınırlı olan, küresel olmayan bir tür yıldız çevresi ortamdan geldiğini söylüyoruz” dedi. Dünya ile güneşimiz arasındaki ortalama mesafe olan astronomik birim (AU) 93 milyon mildir.

3,5 günde polarizasyon hızla yarı yarıya düştü ve bir gün sonra neredeyse 70 derece kayarak patlamanın geometrisinde ani bir değişiklik olduğunu gösterdi. Patlamadan 4,6 gün sonraki bu anı, patlayan yıldızdan gelen püskürmenin yoğun yıldız çevresindeki maddeden çıktığı zaman olarak yorumluyorlar.

Vasylyev, “Esasen, yıldız çevresindeki malzemeyi yutuyor ve bu fıstık şeklindeki geometriyi elde ediyorsunuz” dedi. “Buradaki sezgi, ekvator düzlemindeki malzemenin daha yoğun olduğu ve fırlatmanın yavaşladığı ve en az dirençli yolun yıldız çevresi malzemenin daha az olduğu eksene doğru olacağı yönünde. Bu fıstık şeklini tercihli düzlemle hizalamanızın nedeni budur. patladığı eksen.”

Polarizasyon, patlamadan sonraki 5. ve 14. günler arasında değişmeden kaldı; bu, genişleyen püskürmenin çevredeki gazın en yoğun bölgesini bastırdığını ve püskürmeden gelen emisyonun şok iyonizasyonundan gelen ışığa hakim olmasına izin verdiğini ima ediyor.

Şok iyonizasyon

Jacobson-Galán, spektroskopik evrimin kabaca bu senaryoyla uyumlu olduğunu söyledi. Kendisi ve ekibi, patlamadan yaklaşık bir gün sonra yıldızı çevreleyen gazdan kaynaklanan emisyonları gördü; bu emisyonlar, büyük olasılıkla fırlatılan maddenin yıldız çevresindeki ortama çarpması ve çevredeki gazın ışık yaymasına neden olan iyonlaştırıcı radyasyon üretmesi sonucu oluştu. Bu şok iyonizasyonundan gelen ışığın spektroskopik ölçümleri, çekirdek çöküşü süpernovalarının tipik özelliği olan hidrojen, helyum, karbon ve nitrojenden kaynaklanan emisyon çizgilerini gösterdi.

Şok iyonizasyonunun ürettiği emisyonlar yaklaşık sekiz gün boyunca devam etti, ardından azaldı; bu, Vasylyev ve Filippenko’nun gözlemlediğine benzer şekilde, şok dalgasının, iyonlaşacak ve yeniden yayılacak çok az gazın bulunduğu, daha az yoğun bir uzay alanına doğru hareket ettiğini gösteriyor.

Margutti, diğer gökbilimcilerin Fırıldak Gökadası’nın arşiv görüntülerine baktıklarını ve öncü yıldızın patlamadan önceki yıllarda parladığı birkaç durum bulduklarını, bunun da kırmızı süperdevin tekrar tekrar gaz saçtığını öne sürdüğünü belirtti. Bu, grubunun, patlama öncesi dalgalanmaların ima ettiğinden yaklaşık 1000 kat daha az bir yoğunluk tahmin etmelerine rağmen, bu gazın içinden geçen patlamadan kaynaklanan püskürme gözlemleriyle tutarlıdır.

X-ışını ölçümleri de dahil olmak üzere diğer gözlemlerin analizi bu sorunu çözebilir.

“Bu, öncülünün daha önce ne yaptığını bildiğimiz çok özel bir durum çünkü yavaş yavaş salındığını gördük ve yıldız çevresi ortamın geometrisini yeniden yapılandırmaya çalışmak için tüm sondalarımız yerinde” dedi. “Ve bunun küresel olamayacağını kesin olarak biliyoruz. Wynn’in buldukları ve Sergiy ile Alex’in buldukları ışınımlı X-ışınlarını bir araya getirerek patlamanın tam bir resmini elde edebileceğiz.”

Gökbilimciler, ekiplerin SN 2023ixf’ye odaklanmasına izin vermek için Lick’teki gözlem zamanlarından vazgeçen çok sayıda araştırmacı ve öğrencinin yardımını ve UC Berkeley’de astronomi alanında yardımcı uzman olan Thomas Brink’in gözlemsel yardımını takdir etti.

Filippenko, SN 2023ixf’nin ilk fotoğrafını Unistellar eVscope ile çekti; teleskop arka plan ışığını çıkardığından amatörler arasında popüler hale geldi ve böylece şehirler gibi çok fazla ışık kirliliği olan alanlarda gece görüntülemesine olanak sağladı. Kendisi ve çoğu amatör olan diğer 123 gökbilimci, Unistellar teleskoplarını kullanarak yakın zamanda süpernovaya ilişkin ilk gözlemlerini yayınladılar.

“Astronomide halka yönelik bir araştırma yürütürken elde edilen bu tesadüfi gözlem, yıldızın Itagaki’nin keşfettiği zamandan çok daha erken patladığını gösteriyor” dedi ve şaka yollu bir şekilde şunu ekledi: “Verilerimi hemen incelemeliydim.”