Kosmiczne zombie w akcji: Teleskop Chandra odkrył, że martwe gwiazdy nie gasną spokojnie

Przez dekady śmierć masywnej gwiazdy uważano za spektakularne, ale przewidywalne zgaśnięcie. Po początkowej eksplozji supernowej, pozostała po niej chmura gorącego gazu i szczątków – zwana pozostałością po supernowej – miała po prostu stygnąć i blednąć przez stulecia. Jednak nowe, trwające aż 14 lat badania pobliskiej galaktyki spiralnej Messier 83 (M83) wywracają to założenie do góry nogami.

Korzystając z danych zebranych przez należące do NASA Obserwatorium Rentgenowskie Chandra, naukowcy zidentyfikowali 22 źródła promieniowania rentgenowskiego powiązane z pozostałościami po supernowych w M83. Odkryli, że mniej więcej połowa z tych obłoków wcale nie gaśnie spokojnie. Zamiast tego migocze – dramatycznie pojaśniając i ciemniejąc na przestrzeni zaledwie kilku lat .

"Wiemy, że pojedyncze źródła rentgenowskie mogą bardzo się zmieniać, ale odkrycie, że tak wiele pozostałości po supernowych robi to samo, było prawdziwym zaskoczeniem" – powiedziała Andrea Prestwich, astronomka z Katolickiego Uniwersytetu Ameryki, która kierowała badaniem. "Wewnątrz tych obiektów zdecydowanie dzieje się coś niezwykłego" . Wyniki badań zostały zaprezentowane na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego i opublikowane w czasopiśmie The Astrophysical Journal .

Kosmiczne światła, które nie chcą zgasnąć

Pozostałości po supernowych mają zazwyczaj setki lub tysiące lat. Gdy fala uderzeniowa z eksplozji traci energię, gorący gaz powinien wypromieniować swoje promieniowanie rentgenowskie i stale słabnąć. Populacja tych obiektów w M83, oddalonej o około 15 milionów lat świetlnych od Ziemi, nie gra jednak według tego scenariusza .

Spośród 22 przeanalizowanych rentgenowskich pozostałości, obserwowanych w oknie czasowym od 2000 do 2014 roku, około połowa wykazała mierzalne zmiany jasności. Nie było to subtelne migotanie; zmiany były na tyle znaczące, że wyraźnie rzucały się w oczy w danych, a niektóre źródła pojaśniały i ciemniały o znaczące wartości w nieregularnych odstępach czasu .

Tylko jedna ze zmiennych pozostałości ma proste wytłumaczenie. Oznaczona jako SN 1957D, pozostałość ta została zaobserwowana, jak z ogromną prędkością uderza swoimi szczątkami w gęsty obszar otaczającego gazu. Kolizja ta wytwarza dodatkowy wybuch podgrzanej materii i dodatkową emisję rentgenowską, co wyjaśnia jej rozbłyski. Dla pozostałych, ponad dziesięciu migoczących pozostałości, przyczyna jest znacznie mniej jasna .

Gwiezdne zombie: układy podwójne i kosmiczny recykling

Zespół badawczy przedstawił dwie główne teorie wyjaśniające to tajemnicze migotanie, z których obie sugerują, że nie są to po prostu "martwe" gwiazdy, ale układy wciąż aktywnie pochłaniające materię.

Scenariusz z ocalałym towarzyszem: Wiele masywnych gwiazd rodzi się w parach podwójnych. Gdy masywniejsza z nich eksploduje, może pozostawić po sobie gęsty, zwarty obiekt – gwiazdę neutronową lub czarną dziurę – podczas gdy jej towarzysz pozostaje nienaruszony. Grawitacja pozostałości może następnie odciągać materię gwiezdną od ocalałego towarzysza. Gdy gaz ten spiralnie opada, nagrzewa się do milionów stopni, tworząc potężny rentgenowski układ podwójny. Nieprzewidywalne tempo przepływu tej materii mogłoby powodować obserwowane migotanie .

Akrecja zwrotna: Zamiast gwiazdy-dawcy, nowo powstała czarna dziura lub gwiazda neutronowa może ponownie przechwytywać część szczątków, które zostały wyrzucone na zewnątrz w pierwotnej supernowej. Ten "kosmiczny recykling", w którym część materii nie jest w stanie uciec przed przyciąganiem grawitacyjnym i opada z powrotem na centralny obiekt, również wytwarzałby zmienną emisję rentgenowską .

Te wyjaśnienia nie wykluczają się wzajemnie i możliwe, że oba procesy zachodzą w różnych pozostałościach w badanej próbce. Dowody na teorię gwiazd podwójnych wzmacnia lokalizacja migoczących pozostałości – znajdują się one w rejonach M83, które mają wyższe stężenie masywnych młodych gwiazd, dokładnie tam, gdzie spodziewano by się znaleźć rentgenowskie układy podwójne o dużej masie .

Podobne zaskoczenie w innej galaktyce

M83 nie jest odosobnionym przypadkiem. Dalsze badania Galaktyki Wir (M51) ujawniły porównywalną populację zmiennych źródeł rentgenowskich związanych z pozostałościami po supernowych. Odkrycie tego wzorca w drugiej galaktyce gwiazdotwórczej sugeruje, że migoczące pozostałości mogą być powszechną, wcześniej pomijaną fazą gwiezdnego życia pozagrobowego we Wszechświecie .

Bonusowe odkrycie: Supernowa tuż obok czarnej dziury

W niezwiązanym, ale równie fascynującym odkryciu, Chandra i satelita XMM-Newton Europejskiej Agencji Kosmicznej znalazły dowody na istnienie pozostałości po supernowej w jednym z najbardziej ekstremalnych możliwych środowisk. Wrak odkryto w pobliżu Sagittariusa A* (Sgr A*), supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej, około 26 000 lat świetlnych od Ziemi .

Astronomowie szacują, że gwiazda, która stworzyła ten kosmiczny gruz, eksplodowała stosunkowo niedawno, bo około 1700 lat temu. Powstała pozostałość, znajdująca się w pobliżu obszaru zwanego Sagittarius C, rozszerza się z prędkością około 3,2 miliona kilometrów na godzinę. Jeśli identyfikacja się potwierdzi, będzie to najbliższa pozostałość po supernowej, jaką kiedykolwiek odkryto w sąsiedztwie centralnej czarnej dziury naszej galaktyki .

Odkrycie, również opublikowane w The Astrophysical Journal, umieszcza gwiezdną eksplozję w brutalnym sąsiedztwie zdominowanym przez ekstremalną grawitację, gęste pola magnetyczne i obłoki gazu przemieszczające się z ogromnymi prędkościami. Badanie pozostałości w takim środowisku daje astronomom wyjątkowe naturalne laboratorium do zrozumienia, jak materia zachowuje się w najpotężniejszych polach grawitacyjnych we wszechświecie .