Przejdź do treści

Obserwacje rzadkiej hipernowej: śmierć najbardziej masywnych gwiazd

 Obraz wybuchu hipernowej uzyskany przez Teleskop Gran Canaria

Naukowcy z hiszpańskiego instytutu IAA-CSIC są autorami opublikowanej w Nature pracy na temat śmierci masywnych gwiazd, która zapoczątkowuje zjawisko wybuchu hipernowej i błyski gamma.

Gwiazda może zakończyć swe życie cicho bądź gwałtownie i z wielkim (oczywiście w przenośni) hukiem. Jeśli ma niewielką masę, umrze spokojnie, jeżeli jednak jest bardzo masywna, może dojść do eksplozji, której jasność przyćmiewać może wówczas całą macierzystą galaktykę.

Naukowcy z Andaluzji dokładniej zbadali proces umierania najbardziej masywnych gwiazd, podczas którego dochodzi do tak zwanego błysku gamma (ang. gamma-ray burst, GRB). Okazało się, że możemy wyróżnić nową składową tego gwałtownego zdarzenia. To ostatni element, który uzupełnił znany już wcześniej scenariusz łączący zjawisko hipernowej z obserwacjami GRB.

Czym jest w ogóle hipernowa? Pierwszy wybuch tego rodzaju zauważono dopiero w roku 1998. Uznano go wówczas za bardzo energetyczny rozbłysk supernowej, po którym dodatkowo pojawił się błysk gamma. Uważano też, że za zjawisko to odpowiada eksplozja gwiazdy o masie początkowej ponad 25 razy większej od masy Słońca. Gdy w jej centrum wyczerpane zostaje całe paliwo jądrowe, zapada się ono pod wpływem własnej grawitacji, a wówczas jądro gwiazdy przeobraża się w gwiazdę neutronową lub (przy większej masie początkowej) w czarną dziurę. W tym samym momencie, lub krótko potem, z gwiazdy wystrzeliwane są dwa przeciwbieżne dżety plazmy. Dżety te przewiercają się przez zewnętrzne warstwy gwiazdy, a po wyjściu z niej wytwarzają wykrywane ma Ziemi promieniowanie gamma (to obserwowane przez nas wtedy błyski GRB). W końcu zewnętrzne warstwy gwiazdy są odrzucane, powodując to, co widzimy na niebie jako wybuch hipernowej - kilka razy jaśniejszy niż typowa supernowa.

Choć związki te znamy od ponad dwudziestu lat, wciąż były dalsze pytania i wątpliwości. Dlaczego w przypadku części znanych wybuchów hipernowych nie zaobserwowano błysków gamma? Jak dokładnie propagują się wspomniane już dżety gwiazdowe? Nowa praca wiele w tym względzie wyjaśnia, przedstawiając przy okazji dwa różne typy hipernowych. Okazuje się, że wokół ich dżetów powstaje gorący kokon, który przemieszcza się także przez poszczególne warstwy gwiazdy. Dżet przekazuje wówczas znaczną część swej energii do takiego kokonu, a o ile uda mu się dotrzeć aż do powierzchni gwiazdy, zapoczątkowuje następnie emisję w zakresie fal gamma. Nie zawsze jednak warunek ten jest spełniony, zdarza się więc, że dżet jest osłabiony i w efekcie emisja gamma się nie pojawia - obserwujemy wtedy “zwykłą" hipernową bez błysku GRB.  

To właśnie kokon wykryty w opisywanych badaniach jest brakującym elementem układanki. Zaobserwowano go w przypadku hipernowej i związanego z nią błysku gamma GRB 171205A z 5 grudnia 2017 roku. Hipernowa ta rozbłysła z galaktyce oddalonej od Ziemi o 500 milionów lat świetlnych. Zdarza się to mniej więcej tylko raz na 10 lat, więc naukowcy natychmiast rozpoczęli intensywną kampanię obserwacyjną obiektu z udziałem Teleskopu Gran Canaria (Wielki Teleskop Kanaryjsji, GTC) na wyspie La Palma.

Jasność wykrytego dżetu okazała się dość słaba, jednak udało się zauważyć jego bardzo nietypową część. Wykazywała ona niespotykaną dotąd prędkość ekspansji i niezwykły skład chemiczny. Był to właśnie kokon towarzyszący dżetowi - czego nigdy wcześniej nie widziano. Obserwowany w pierwszych dniach po eksplozji gwiazdy kokon zdawał się wyciągąć materiał z wnętrza gwiazdy. Po kilku dniach składnik ten zanikł, a hipernowa ewoluowała odtąd w sposób podobny do tego, jaki znano już od dawna.

Całkowita energia wyemitowana przez kokon podczas pierwszych trzech tygodni po błysku GRB była większa niż energia samego GRB. Oznacza to, że dżet przekazał część swej energii do kokonu. Energia emitowanego w takich przypadkach GRB zależy od oddziaływań pomiędzy dżetem, okolicznym materiałem gwiazdowym oraz tym nowo wykrytym komponentem.

Kokon hipernowej
Na ilustracji: Artystyczne wyobrażenie wybuchu hipernowej. Interakcja z zewnętrznymi warstwami gwiazdy tworzy kokon, który otacza poruszający się w jej wnętrzu dżet. Źródło: Anna Serena Esposito.

 

Czytaj więcej:

 

Źródło: Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC)


Na zdjęciu powyżej: Obraz wybuchu hipernowej uzyskany przez Teleskop Gran Canaria w okresie maksymalnej jasności zdarzenia. Źródło: IAA-CSIC.