Detekcja śladów gwiazdy neutronowej w SN 1987A z pomocą Teleskopu Webba

Teleskop Webba znalazł najmocniejszy do tej pory dowód obserwacyjny na emisję promieniowania z gwiazdy neutronowej w mgławicy, która pozostała po wybuchu supernowej SN 1987A.

Ta supernowa wybuchła w Wielkim Obłoku Magellana w odległości około 160 tys. l.św. od Ziemi. SN 1987A jest supernową II typu i zaobserwowano ją na Ziemi w dniu 23 lutego 1987 roku, czyli ponad 37 lat temu. Jest to pierwsza od ponad czterystu lat supernowa zaobserwowana gołym okiem jeszcze przed pojawieniem się teleskopów – ostatnią tak była supernowa Keplera w 1604 roku.

Supernowe typu II, zwane również supernowymi implozyjnymi, różnią się od typu Ia obecnością linii wodoru w ich widmach. Zazwyczaj takie supernowe powstają w wyniku kolapsu jądra gwiazdy masywnej o masie początkowej 8-25 mas Słońca. Źródłem ich energii jest energia potencjalna pola grawitacyjnego rzędu 100 FOE (10⁵³ ergów, FOE - akronim „(ten to the power of) Fifty-One Ergs”), która w ciągu około 10 sekund po kolapsie jądra gwiazdy jest zamieniona głównie w neutrina (sam kolaps jądra trwa ułamek sekundy, a materia jest rozpędzana przy tym do prędkości ~80 tys. km/sek). Około 99,9% tej energii jest uwalniana w postaci neutrin, a większość pozostałej energii jest zamieniana w energię kinetyczną – zaś zaledwie drobny ułamek w postać promieniowania. Mimo to jasność supernowej jest porównywalna z jasnością całej galaktyki.

Około dwie godziny przed detekcją wizualną SN 1987A, w trzech obserwatoriach na Ziemi (Kamiokande II / Japonia, IMB / USA, Baksan / Rosja) zaobserwowano wybuch neutrin trwający zaledwie kilka sekund. Neutrina są obojętnymi elektrycznie cząstkami elementarnymi ekstremalnie małej masie około 500 tys. razy mniejszej niż masa elektronu, które bardzo słabo oddziałują z materią. Dlatego ich detekcja jest ekstremalnie trudna. Są produkowane w ogromnych ilościach (~10⁵⁸ neutrin) w supernowych implozyjnych. Stąd wynika związek zaobserwowanego wybuchu neutrin w lutym 1987 roku z SN 1987A.

Uzyskano więc jednocześnie unikalne dwa rodzaje obserwacji (neutrina + promieniowanie elektromagnetyczne) dla tej samej supernowej SN 1987A, które są ważnymi dowodami obserwacyjnymi, pozwalającymi rozwinąć teorię kolapsu jądra gwiazdy masywnej w supernowych implozyjnych. Zgodnie z tą teorią podczas kolapsu jądra może powstać gwiazda neutronowa lub czarna dziura. Te zwarte ciała niebieskie posiadają bardzo małe rozmiary rzędu kilometrów, a gwiazdy neutronowe – ekstremalnie dużą gęstość (łyżeczka od herbaty „zaczerpnięta” ze środka gwiazdy neutronowej waży ponad 3 miliardy ton).

Historia ostatnich prób detekcji gwiazdy neutronowej w SN 1987A

Supernowa SN 1987A okazała się supernową typu II. Dlatego oczekuje się, że w jej jądrze powstała gwiazda neutronowa lub czarna dziura. Od dawna szukano dowodów na istnienie tak zwartego obiektu. Obserwacje znacznie starszych pozostałości po supernowych (np. Mgławica Krab) potwierdziły, że w wielu z nich można odkryć gwiazdy neutronowe. Jednak w ostatnich latach znaleziono tylko pośrednie dowody na istnienie gwiazdy neutronowej w SN 1987A.

Na przykład w 2019 roku Matsuura ze współpracownikami opublikował obraz SN 1987A uzyskany za pomocą radioteleskopu ALMA. Widać na nim plamę ogrzanej materii wyrzuconą z okolic centrum wybuchu supernowej. Jednak astronomowie nie mogli jednoznacznie rozstrzygnąć, czy ta ogrzana materia pochodzi z rozpadów promieniotwórczych pierwiastków w rozchodzącej się fali uderzeniowej po wybuchu supernowej, czy też od wysokoenergetycznego promieniowania z wychładzanej gwiazdy neutronowej.

​

Na ilustracji (1): Obraz supernowej SN 1987A uzyskany radioteleskopem ALMA, którego celem była detekcja śladów gwiazdy neutronowej. Pokazano gazowy tlenek węgla (na pomarańczowo), gorący wodór gazowy (na fioletowo) i pył otaczający gwiazdę neutronową (na niebiesko). Źródło: Cardiff University (2019)

W 2021 roku Greco ze współpracownikami na podstawie analizy archiwalnych zdjęć z teleskopów Chandra i NuSTAR pokazał emisje promieniowania rentgenowskiego generowane przez naładowane cząstki uwięzione przez pole magnetyczne w obszarach centralnych supernowej SN 1987A. Autorom tej publikacji nie udało się ustalić, czy te naładowane cząstki zostały uwięzione przez pole magnetyczne gwiazdy neutronowej, czy też przez znajdującą się w większej odległości falę uderzeniową po wybuchu supernowej.

​

Na ilustracji (2): Obrazy centralnych obszarów pozostałości po supernowych SN 1987A (panel u góry) i Cassiopeia A (panel u dołu – supernowa sprzed około 330 lat) uzyskany przez satelitę rentgenowskiego Chandra.
Panel u góry – po lewej obraz centralnego obszaru SN 1987A wskazuje na obecność wysokoenergetycznego promieniowania, które mogło powstać w obłoku zwanym mgławicą synchrotronową (po prawej wizja artystyczna tego obiektu) składającą się z naładowanych cząstek i pola magnetycznego wygenerowanych przez szybko rotującą gwiazdę neutronową. Gdyby to się potwierdziło, to byłoby to uwieńczenie kilkudziesięciu lat poszukiwań tej gwiazdy neutronowej – najmłodszego pulsara jaki kiedykolwiek został odkryty.
Panel u dołu – obraz centralnego obszaru Cas A – pozostałości po wybuchu supernowej około roku 1690(?) (zakres rentgenowski - barwy: czerwona, zielona i niebieska; zakres optyczny z teleskopu Hubble’a – barwa złota). Jest to przykład supernowej bez mgławicy synchrotronowej, ale z gwiazdą neutronową o temperaturze powierzchniowej ~1,8 miliona stopni. Rentgenowskie linie emisyjne są wzbudzane głównie przez fale uderzeniowe w zewnętrznych obszarach tej mgławicy.
Źródło: Chandra (SN 1987A) - panel u góry oraz Chandra (Cassiopeia A) - panelu u dołu

Jednak do tej pory nie zaobserwowano żadnych bezpośrednich dowodów na istnienie gwiazdy neutronowej w SN 1987A. Dopiero dzięki obserwacjom JWST z 2022 roku odkryto po raz pierwszy wysokoenergetyczne promieniowanie, które mogła wygenerować młoda gwiazd neutronowa.

Teleskop Webba umożliwił przełomowe odkrycie

SN 1987A to był jednym z pierwszych obiektów, które obserwował Teleskop Webba od momentu uruchomienia obserwacji naukowych w lipcu 2022 roku. Do omawianej publikacji pt. „Linie emisyjne wywołane przez promieniowanie jonizujące z kompaktowego obiektu w pozostałości po supernowej 1987A” astronomowie wykorzystali obserwacje z 16 lipca 2022 roku. Zespół badawczy wykorzystał instrument MIRI w trybie spektrografu średniej rozdzielczości MRS (skrót z j.ang. Medium Resolution Spectrograph). MRS jest typem instrumentu znanego jako jednostka pola zintegrowanego IFU (skrót z j.ang. Integral Field Unit), który pozwala na jednoczesne robienie zdjęć ciał niebieskich, jak również ich widm. IFU tworzy widmo dla każdego piksela – co umożliwia śledzenie zmian w widmie wzdłuż tego obiektu. Analiza przesunięć dopplerowskich w każdym widmie pozwala również na wyznaczenie prędkości w każdym pikselu. 

W tych widmach zauważono silne linie emisyjne zjonizowanego argonu i siarki występujące w obszarach centralnych SN 1987A, z których pierwotnie została wyrzucona materia podczas wybuchu tej supernowej. Dalsze obserwacje w mniejszych długościach fali (bliska podczerwień) z pomocą IFU oraz spektrografu NIRSpec pozwoliły odkryć nawet bardziej zjonizowane pierwiastki, np. linie emisyjne pięciokrotnie zjonizowanego argonu [Ar VI] – co oznacza utratę pięciu z osiemnastu elektronów w atomach argonu. Takie jony wymagają fotonów o wysokich energiach, aby powstać. Te fotony muszą skądś pochodzić. Według głównego autora omawianej publikacji Claesa Franssona (Stockholm University) w obszarach centralnych mgławicy SN 1987A powinno znajdować się źródło wysokoenergetycznego promieniowania, które wytwarza te zaobserwowane jony. Astronomowie przeanalizowali różne przypadki i doszli do wniosków, że tylko kilka scenariuszy jest prawdopodobnych i wszystkie dotyczą gwiazdy neutronowej.

​

Na ilustracji (3): Zdjęcie supernowej SN 1987A w zakresie optycznym (okolice linii widmowej Hα) zrobione w 2022 roku (35 lat po wybuchu) przez teleskop Hubble’a. Strzałkami zaznaczono swobodnie ekspandującą materię (j.ang. ejecta) wewnątrz pierścienia równikowego (j.ang. equatorial ring). Białą gwiazdką oznaczono środek pierścienia równikowego. Białe kontury oznacza emisję w linii pięciokrotnie zjonizowanego argonu (Ar VI), która była obserwowana przez spektrograf NIRSpec w Teleskopie Webba. Źródło (CC BY 4.0 DEED): arXiv:2403.04386 [astro-ph.HE]

​

Na ilustracji (4): Obserwacje obszarów centralnych SN 1987A linii widmowych argonu o różnym poziomie jonizacji [Ar II] i [Ar VI] za pomocą teleskopu Webba i instrumentu MIRI/MRS (górny wiersz F, A, P) oraz spektrografu NIRSpec (dolny wiersz Q, R, S). Etykiety w każdy panelu opisują odpowiedni zakres prędkości mierzony względem prędkości systemowej Sn 1987A.
Panel F przedstawia obraz w linii [Ar II) o prędkości poruszania się odpowiadającej obiektowi zwartemu  w tej mgławicy, panel A – prędkość poruszania się pierścienia równikowego, panel P (różnica: F – A ) pokazuje jak obiekt zwarty dominuje w centrum tego obrazu. W dolnym wierszy (Q, R, S) zaprezentowano analogiczne obrazy dla pięciokrotnie zjonizowanej linii argonu [Ar VI].
Źródło (CC BY 4.0 DEED): arXiv:2403.04386 [astro-ph.HE]

Gwiazda neutronowa w SN 1987A z mgławicą synchrotronową czy bez?

Astronomowie nie zaobserwowali bezpośrednio gwiazdy neutronowej w SN 1987A. Natomiast wywnioskowali to na podstawie wpływu promieniowania gwiazdy neutronowej na jej otoczenie. Astronomowie rozważali dwa główne wyjaśnienia na obserwacje linii widmowych argonu i siarki. Te struktury spektralne mogą pochodzić od promieniowania wygenerowanego przez:
    •  gwiazdę neutronową, która powstała w 1987 roku. Jej temperatura powierzchniowa wynosi ponad milion stopni;
    •  cząstki naładowane elektrycznie, które są przyspieszane w silnym polu magnetycznym pochodzącym od szybko rotującej gwiazdy neutronowej zwanej pulsarem. Podobny mechanizm zwany mgławicą synchrotronową (plerionem) zaobserwowano wokół pulsara w słynnej Mgławicy Krab, która jest pozostałością po wybuchu supernowej z 1054 roku (SN 1054).

Oba te modele dają podobne przewidywania co do wyglądu obserwowanego widma. Aby rozróżnić, który z nich odpowiada rzeczywistej strukturze mgławicy, która pozostała po SN 1987A, konieczne są dalsze obserwacje za pomocą Teleskopu Webba, Teleskopu Hubble’a, jak również teleskopów optycznych w zakresie widzialnym.

​

Na ilustracji (5): Porównanie teoretycznych jasności w liniach widmowych z zaobserwowanymi przez Teleskop Webba dla dwóch modeli obszaru mgławicy bliskiemu gwieździe neutronowej w SN 1987: mgławica synchrotronowa (j.ang. Pulsar Wind Nebula) vs stygnąca gwiazda neutronowa o temperaturze powierzchniowej ~1,5-3 mln stopni (j.ang. Cooling NS). Czarne gwiazdki oznaczają obserwowane jasności, natomiast czerwone i niebieskie koła – modelowe jasności w liniach widmowych odpowiednio bez uwzględniania absorpcji przez pył oraz z uwzględnieniem. Aktualnie na podstawie obserwacji nie jest możliwe rozróżnienie spektroskopowe, który z modeli lepiej opisuje gwiazdę neutronową w SN 1987A. Konieczne są dalsze obserwacje. Źródło (CC BY 4.0 DEED): arXiv:2403.04386 [astro-ph.HE]

​

Na ilustracji (6): Połączone zdjęcie mgławicy, która jest pozostałością po supernowej SN 1987A uzyskane za pomocą Teleskopu Webba i emisji w liniach widmowych argonu wskazującej na pozycję obiektu zwartego (ang. compact object) – najprawdopodobniej gwiazdy neutronowej. „Filetowa plamka” wskazuje na położenie tego obiektu emitującego wysokoenergetyczne promieniowanie zarejestrowane przez Teleskop Webba ze spektrografem NIRSpec. Tuż za tą „fioletową plamką” widać szybko rozszerzającą się materię zawierającą większość masy, która została wyrzucona podczas wybuchu supernowej (ang. ejected stellar debris).
Natomiast pierścień wewnętrzny (ang. rings of circumstellar gas – wskazuje na niego jedna z trzech strzałek) wyglądający jak jasny „sznur pereł”, to gaz z zewnętrznych warstw gwiazdy, który został wyrzucony około 20 tys. lat przed wybuchem SN 1987A. Te jasne plamy są wynikiem zderzenia obu struktur materii (gaz wyrzucony podczas wybuchu supernowej pędzący z obecnie z prędkością tysięcy km/sek vs pierścień materii wyrzucony około 20 tys. lat temu). Poza pierścieniem wewnętrznym znajdują się dwa pierścienie zewnętrzne, które powstały najprawdopodobniej w tym samym procesie co pierścień wewnętrzny.
Jasne gwiazdy w tle nie są związane z SN 1987A.
Źródło: Hubble Space Telescope WFPC-3/James Webb Space Telescope NIRSpec/J. Larsson

​

Na ilustracji (7): Obraz supernowej SN 1987A z „dziurką od klucza” sfotografowany za pomocą Teleskopu Webba i kamery NIRCam w bliskiej podczerwieni (długości fali 1,5-4,44 μm), na którym oznaczono główne struktury, kierunki na niebie N-E i skala odpowiadająca 1,5 l.św. w odległości SN 1987A.
W centrum zdjęcia widać, że materia wyrzucona z supernowej utworzyła coś na kształt dziurki od klucza (j.ang. keyhole), po obu stronach której znajdują się słabe struktury w kształcie sierpa (j.ang. crescent). Te ostatnie zostały  zaobserwowane po raz pierwszy przez Teleskop Webba. Dalej widać pierścień równikowy (j.ang. equatorial ring) - pełen jasnych i gorących plam, który powstał jeszcze wcześniej, bo dziesiątki tysięcy lat przed wybuchem tej supernowej. Całość otaczają emisje rozproszonego światła i dwa słabe, zewnętrzne pierścienie (j.ang. outer ring).
Źródło: NASA, ESA, CSA, Mikako Matsuura (Cardiff University), Richard Arendt (NASA-GSFC, UMBC), Claes Fransson (Stockholm University), Josefin Larsson (KTH), Alyssa Pagan (STScI)

Opracowanie: Ryszard Biernikowicz

Więcej informacji:

    • (publikacja naukowa) → Emission lines due to ionizing radiation from a compact object in the remnant of Supernova 1987A
    • (publikacja naukowa - arXiv) → Emission lines due to ionizing radiation from a compact object in the remnant of Supernova 1987A
    •  
    •  James Webb Telescope Detects Neutron Star in Supernova Remnant SN 1987A
    •  Stellar remains of famed 1987 supernova found at last
    •  (Urania) → Nowo narodzona gwiazda neutronowa wykryta w pobliskiej supernowej
    •  (Urania) → Webb ujawnił nowe struktury w słynnej supernowej SN1987A
    •  (Urania) → Naukowcy znajdują dowody na brakującą gwiazdę neutronową

Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI

Na ilustracji: Teleskop Webba dostarczył najbardziej wiarygodne do tej pory dowody obserwacyjne w liniach emisyjnych argonu na istnienie gwiazdy neutronowej w pozostałościach supernowej SN 1987A.
W panelu po lewej zaprezentowano zdjęcie supernowej SN 1987A z „dziurką od klucza” sfotografowane w 2022 roku za pomocą Teleskopu Webba i kamery NIRCam w bliskiej podczerwieni (długości fali: 1,5–4,44 μm). Panel u góry po prawej przedstawia obraz SN 1987A w linii widmowej jednokrotnie zjonizowany argon (Ar II) uzyskany za pomocą MIRI w trybie spektrografu MRS. W panelu na dole po prawej prezentuje zdjęcie tego obiektu w linii pięciokrotnie zjonizowanego argonu (Ar VI) uchwycone za pomocą spektrografu NIRSpec. Na dwóch ostatnich zdjęciach widać silny sygnał pochodzący z obszarów centralnych supernowej wskazujący na obecność wysokoenergetycznego źródła promieniowania – najprawdopodobniej gwiazdy neutronowej.
Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Claes Fransson (Stockholm University), Mikako Matsuura (Cardiff University), M. Barlow (UCL), Patrick Kavanagh (Maynooth University), Josefin Larsson (KTH)