Martwe gwiazdy nie gasną: Kosmiczny teleskop odkrył galaktykę pełną migoczących pozostałości po supernowych

Przez dziesięciolecia podręczniki astronomii uczyły, że pozostałości po wybuchach gwiazd stygną powoli i przewidywalnie przez tysiące lat. Jednak żmudna, nowa analiza 14-letnich danych archiwalnych z należącego do NASA Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra ukazuje znacznie bardziej chaotyczną rzeczywistość. W pobliskiej galaktyce spiralnej Messier 83 (M83), znanej jako Galaktyka Południowy Wiatraczek, populacja pozostałości po supernowych nie chce cicho gasnąć, zamiast tego dramatycznie migocząc w świetle rentgenowskim na przestrzeni zaledwie kilku lat.

Kosmiczny pokaz fajerwerków w M83

Aby stworzyć punkt odniesienia dla ewolucji pozostałości po supernowych, astronomowie skierowali teleskop Chandra na M83 – spektakularną galaktykę spiralną widzianą "na wprost", położoną około 15 milionów lat świetlnych od Ziemi – prowadząc obserwacje w latach 2000–2014 . Zespół śledził 22 źródła promieniowania rentgenowskiego wcześniej zidentyfikowane jako pozostałości po supernowych i dokonał zaskakującego odkrycia: około połowa z nich wykazywała znaczące i niespodziewane zmiany jasności w zakresie promieniowania X .

"Wiemy, że pojedyncze źródła rentgenowskie mogą się radykalnie zmieniać, ale odkrycie, że tak wiele pozostałości po supernowych to robi, naprawdę nas zaskoczyło" – powiedziała Andrea Prestwich, astronom z Katolickiego Uniwersytetu Ameryki i współautorka badania opublikowanego w The Astrophysical Journal .

To, co czyni to odkrycie tak przełomowym, to właśnie wysoki odsetek – około 11 z 22 obiektów. Nie jest to pojedynczy dziwaczny obiekt łamiący reguły, ale powszechne zachowanie, które wymusza ponowne przeanalizowanie standardowego modelu ewolucji gwiezdnych pozostałości .

Dlaczego "martwe" gwiazdy wciąż rozbłyskują?

Zespół zidentyfikował dwa główne, potencjalnie współwystępujące mechanizmy wyjaśniające to nieregularne migotanie w promieniach X .

1. Ocalały gwiezdny towarzysz

Preferowanym wyjaśnieniem jest to, że w wielu z tych pozostałości po supernowych znajduje się ocalała gwiazda. Większość masywnych gwiazd istnieje w układach podwójnych. Kiedy masywniejsza z nich wybucha jako supernowa, może pozostawić po sobie czarną dziurę lub gwiazdę neutronową. Jeśli towarzysząca jej gwiazda przetrwa kataklizm, może zostać uwięziona na ciasnej orbicie wokół nowego, zwartego obiektu. Intensywna grawitacja czarnej dziury lub gwiazdy neutronowej zaczyna wtedy ściągać materię z powierzchni towarzysza. Ten proces, znany jako akrecja, rozgrzewa opadający gaz do milionów stopni, wytwarzając potężne i zmienne promieniowanie rentgenowskie, którego jasność zależy całkowicie od tempa akrecji .

2. Kosmiczny recykling: akrecja opadającego materiału

Alternatywny scenariusz odwraca kierunek przepływu materii. Zamiast przechwytywać gaz od towarzysza, centralny, zwarty obiekt może "poddawać recyklingowi" własne szczątki. Astronom Roy Kilgard, współautor badania, opisał tę możliwość jako sytuację, w której szczątki po eksplozji opadają z powrotem na ten sam obiekt, który supernowa stworzyła . Ten proces "akrecji opadającego materiału" (ang. fallback accretion) również mógłby wywoływać obserwowane pojaśnienia i pociemnienia, gdy materiał ponownie przechwytywany przez czarną dziurę lub gwiazdę neutronową jest rozgrzewany do temperatur emitujących promieniowanie rentgenowskie.

Przynajmniej jedna pozostałość w próbce, SN 1957D, ma prostsze wytłumaczenie. Zaobserwowana po raz pierwszy blisko 70 lat temu, jej pojaśnienie rentgenowskie jest prawdopodobnie spowodowane zderzaniem się wyrzuconej z dużą prędkością materii z otaczającym ją materiałem międzygwiazdowym, co zamienia energię kinetyczną w ciepło .

To zjawisko długoterminowej zmienności pozostałości może nie być unikalne dla M83. Wczesne obserwacje kontrolne Galaktyki Wir (M51) ujawniły podobną populację zmiennych pozostałości, co sugeruje, że to zachowanie może być powszechną i wcześniej pomijaną cechą galaktyk, w których intensywnie formują się gwiazdy .

Nowa petarda w pobliżu czarnej dziury Drogi Mlecznej

W ramach osobnego badania, inny zespół astronomów skierował zarówno teleskop Chandra, jak i satelitę XMM-Newton Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) w stronę turbulentnego centrum naszej własnej galaktyki. Ich celem był Sagittarius C (Sgr C), gęsty region gwiazdotwórczy znajdujący się zaledwie 26 000 lat świetlnych od Ziemi – mówiąc językiem kosmologii, tuż za rogiem od supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A* .

Wewnątrz Sgr C zidentyfikowali oni wyraźną "plamę" emisji rentgenowskiej, usytuowaną wewnątrz większego bąbla zjonizowanego wodoru, który otacza młodą, masywną gwiazdę . Jeśli zostanie to potwierdzone jako pozostałość po supernowej, będzie to jeden z najbliższych tego typu obiektów, jakie kiedykolwiek znaleziono w sąsiedztwie centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej . Dane wskazują, że wyrzucona materia gwiazdowa rozszerza się z prędkością około 3,2 miliona kilometrów na godzinę, a do pierwotnej eksplozji doszło zaledwie około 1700 lat temu .

Odkrycie to było możliwe dzięki połączeniu wysokiej rozdzielczości obrazowania rentgenowskiego teleskopów Chandra i XMM-Newton z uzupełniającymi danymi radiowymi z sieci radioteleskopów MeerKAT w Republice Południowej Afryki oraz danymi optycznymi z przeglądu nieba Pan-STARRS . Znalezisko to oferuje rzadką okazję do zbadania cyklu życia gwiazd w najbardziej ekstremalnym środowisku w naszej galaktyce.