Dode sterren weigeren te vervagen: Chandra onthult een sterrenstelsel vol flikkerende supernovaresten

Decennialang stond in de leerboeken dat de restanten van ontplofte sterren, supernovaresten genaamd, een voorspelbaar en langzaam afkoelingsproces doormaken gedurende duizenden jaren. Maar een nauwgezette, nieuwe analyse van veertien jaar aan archiefgegevens van NASA's Chandra X-ray Observatory onthult een veel chaotischer realiteit. In het nabijgelegen spiraalstelsel Messier 83 (M83) weigert een hele populatie supernovaresten stilletjes te vervagen; in plaats daarvan flikkeren ze dramatisch in röntgenlicht op tijdschalen van slechts een paar jaar.

Een diepzeevuurwerkshow in M83

Om een basislijn vast te stellen voor hoe supernovaresten evolueren, richtten astronomen Chandra, een röntgentelescoop in de ruimte, op M83. Dit spectaculaire spiraalstelsel, van bovenaf zichtbaar, staat op ongeveer 15 miljoen lichtjaar van de aarde. De observaties vonden plaats tussen 2000 en 2014 . Het team volgde 22 eerder geïdentificeerde röntgenbronnen van supernovaresten en deed een verrassende ontdekking: ongeveer de helft daarvan vertoonde significante en onverwachte veranderingen in hun röntgenhelderheid .

"We weten dat individuele röntgenbronnen dramatisch kunnen veranderen, maar dat zoveel supernovaresten dit doen, heeft ons echt verrast," zei Andrea Prestwich, astronoom aan de Catholic University of America en co-auteur van de studie gepubliceerd in The Astrophysical Journal .

Het is juist deze hoge verhouding – ruwweg 11 van de 22 – die de bevinding zo ontwrichtend maakt. Het gaat niet om een enkel vreemd object dat de regels overtreedt, maar om een wijdverbreid gedrag dat dwingt tot een herziening van het standaard evolutionaire model voor stellaire restanten .

Waarom flakkeren 'dode' sterren nog?

Het team identificeerde twee leidende, en mogelijk gelijktijdig optredende, mechanismen om het grillige röntgenflikkeren te verklaren .

1. De overlevende compagnon

De meest aannemelijke verklaring is dat veel van deze supernovaresten een overlevende herbergen. De meeste zware sterren bestaan in dubbelstersystemen, waarin twee sterren om elkaar heen draaien. Wanneer de zwaarste ster als supernova ontploft, kan deze een zwart gat of neutronenster achterlaten. Als de compagnon de explosie overleeft, kan deze in een krappe baan rond het nieuwe compacte object gevangen raken. De intense zwaartekracht van het zwarte gat of de neutronenster trekt dan materiaal van het oppervlak van de compagnon. Dit proces, dat accretie wordt genoemd, verhit het invallende gas tot miljoenen graden, wat krachtige en variabele röntgenstraling produceert die volledig afhangt van de snelheid van de accretie .

2. Kosmische recycling: terugvalaccretie

Een alternatief scenario keert de stroomrichting om. In plaats van gas te stelen van een compagnon, is het centrale compacte object mogelijk bezig met het 'recyclen' van zijn eigen puin. Astronoom Roy Kilgard, co-auteur van de studie, omschreef de mogelijkheid als brokstukken van de explosie die terugvallen op het object dat de supernova zelf heeft gecreëerd . Deze 'terugvalaccretie' zou ook de waargenomen verheldering en verduistering kunnen produceren doordat het heroverde materiaal rondom het zwarte gat of de neutronenster wordt verhit tot temperaturen waarbij röntgenstraling vrijkomt.

Ten minste één restant in de steekproef, genaamd SN 1957D, heeft een eenvoudiger verklaring. Dit restant werd bijna 70 jaar geleden voor het eerst waargenomen. Zijn opflakkering in röntgenlicht wordt waarschijnlijk veroorzaakt doordat het met hoge snelheid uitgestoten materiaal botst met het omringende interstellaire medium, waarbij kinetische energie wordt omgezet in hitte .

Dit fenomeen van variabiliteit op de lange termijn is mogelijk niet uniek voor M83. Vroege vervolgwaarnemingen van het Draaikolkstelsel (M51) hebben een vergelijkbare populatie van variabele restanten aan het licht gebracht, wat suggereert dat dit gedrag een algemeen en voorheen over het hoofd gezien kenmerk van stervormende stelsels zou kunnen zijn .

Een nieuwe vuurpijl nabij het zwarte gat van de Melkweg

In een afzonderlijk onderzoek richtte een ander team van astronomen zowel Chandra als ESA's XMM-Newton-satelliet op het turbulente centrum van ons eigen sterrenstelsel. Hun doelwit was Sagittarius C (Sgr C), een dicht stervormingsgebied op slechts 26.000 lichtjaar van de aarde – kosmologisch gezien de directe buur van het superzware zwarte gat Sagittarius A* .

Binnen Sgr C identificeerden ze een duidelijke 'vlek' van röntgenstraling genesteld in een grotere bel van geïoniseerd waterstofgas die een jonge, massieve ster omringt . Als wordt bevestigd dat het om een supernovarest gaat, dan zou het een van de dichtstbijzijnde objecten in zijn soort zijn die ooit zijn gevonden bij het centrale zwarte gat van de Melkweg . De gegevens wijzen erop dat het uitgestoten stellaire materiaal uitzet met een snelheid van ongeveer 3,2 miljoen kilometer per uur en dat de oorspronkelijke explosie slechts ongeveer 1700 jaar geleden plaatsvond .

De ontdekking werd mogelijk gemaakt door het combineren van de hoge-resolutie röntgenbeelden van Chandra en XMM-Newton met aanvullende radiogegevens van de MeerKAT-telescoop in Zuid-Afrika en optische gegevens van de Pan-STARRS-survey . De vondst biedt een zeldzame kans om de levenscyclus van sterren in de meest extreme omgeving van het sterrenstelsel te bestuderen.