Puuttuva linkki on löydetty: supernovat synnyttävät mustia aukkoja tai neutronitähtiä

 ESO lehdistötiedote 10. tammikuuta 2024

Suomennos Pasi Nurmi

Tähtitieteilijät ovat löytäneet suoran yhteyden massiivisten tähtien supernovana räjähtämisen ja maailmankaikkeuden tiheimpien ja arvoituksellisimpien kohteiden, eli mustien aukkojen ja neutronitähtien muodostumisen välillä. Kaksi tutkimusryhmää havaitsivat Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopin ja ESO:n New Technology Telescope, eli NTT:n avulla läheisen galaksin supernovaräjähdyksen jälkeistä vaihetta ja löysivät todisteita räjähdyksen jälkeensä jättämästä salaperäisestä kompaktista kohteesta.

Tämä taitelijan tekemä kuva esittää prosessia, jossa kaksoistähtijärjestelmässä olevasta massiivisesta tähdestä tulee supernova. Kuvassa esitetty tapahtumasarja tapahtui supernova SN 2022jli:ssä, mikä selvisi tutkijoille ESO:n Very Large Telescope, eli VLT-kaukoputken ja New Technology Telescope, eli NTT-kaukoputken havaintojen avulla. Kun massiivinen tähti räjähti supernovana, se jätti jälkeensä kompaktin kohteen, eli neutronitähden tai mustan aukon. Seuralaistähti selvisi räjähdyksestä, mutta sen ilmakehä pullistui sen seurauksena. Kompakti kohde ja seuralaistähti jatkoivat toistensa kiertämistä kompaktin kohteen varastaessa säännöllisesti ainetta toisen tähden laajenneesta ilmakehästä. Aineen kertyminen näkyi tutkijoiden havainnoissa kohteen säännöllisinä kirkkauden vaihteluina sekä vetykaasun jaksoittaisina liikkeinä. Kuva: ESO/L. Calçada.

 

Kun massiiviset tähdet saavuttavat kehityskaarensa viimeiset vaiheet, ne romahtavat oman gravitaation vaikutuksesta niin nopeasti, että seurauksena on voimakas räjähdys, jota kutsutaan supernovaksi. Tähtitieteilijät uskovat, että dramaattisen räjähdysvaiheen jälkeen tähdestä jää jäljelle erittäin tiheä ydin tai kompakti jäänne. Riippuen siitä, kuinka massiivinen tähti on, kompakti jäänne on joko neutronitähti tai musta aukko.

Tähtitieteilijät ovat aiemmin löytäneet useita todisteita tapahtumaketjun puolesta, kuten Rapusumun neutronitähden havaitseminen. Rapusumu on lähes tuhat vuotta sitten räjähtäneen tähden jäljelle jäänyt kaasupilvi. Tutkijat eivät kuitenkaan ole koskaan aiemmin nähneet tämän prosessin tapahtuvan reaaliajassa, joten suoraa näyttöä supernovan jättämästä kompaktista jäänteestä ei olla saatu. "Osoitamme tutkimuksessamme tällaisen suoran yhteyden olemassaolon", sanoi israelilaisen Weizmann-instituutin tutkija Ping Chen, joka on tänään Nature-lehdessä julkaistun tutkimuksen pääkirjoittaja. Tutkimus esiteltiin American Astronomical Societyn 243. kokouksessa New Orleansissa, Yhdysvalloissa.

Tutkijoiden tekemä löytö oli varsinainen onnenpotku ja se tehtiin toukokuussa 2022, kun eteläafrikkalainen harrastajatähtitieteilijä Berto Monard löysi supernova SN 2022jli:n 75 miljoonan valovuoden päässä sijaitsevan NGC 157 -galaksin spiraalihaarasta. Kaksi erillistä ryhmää tutki tämän räjähdyksen jälkimaininkeja ja havaitsi sen käyttäytyvän ainutlaatuisesti.

Räjähdyksen jälkeen supernovan kirkkaus yleensä yksinkertaisesti hiipuu ajan myötä ja tähtitieteilijät havaitsevat räjähdyksen "valokäyrän" tasaisen, asteittaisen laskun. SN 2022jli käyttäytyy kuitenkin hyvin erikoisesti. Kun sen kokonaiskirkkaus vähenee, se ei vähene tasaisesti, vaan vaihtelee ylös ja alas noin 12 päivän välein. "SN 2022jli:n havainnoissa näkyy toistuva kirkastumisen ja himmenemisen sarja", sanoi Thomas Moore, Pohjois-Irlannissa sijaitsevan Belfastin Queen's Universityn tohtorikoulutettava, joka johti viime vuoden lopulla Astrophysical Journal -lehdessä jukaistua supernovaa koskevaa tutkimusta. "Tämä on ensimmäinen kerta, kun supernovan valokäyrässä on havaittu toistuvia jaksottaisia muutoksia useiden syklien ajan", Moore totesi artikkelissaan.

Sekä Mooren että Chenin tutkimusryhmät uskovat, että SN 2022jli -systeemin käyttäytyminen voidaan selittää, jos kohteessa on useampi kuin yksi tähti. Itse asiassa massiiviset tähdet ovat usein osana kaksoistähtijärjestelmää ja kiertävät toisiaan, eikä SN 2022jli ole tästä poikkeus. Merkillepantavaa tässä järjestelmässä on kuitenkin se, että seuralaistähti näyttää selvinneen kumppaninsa räjähdyksestä. Nämä kaksi kohdetta, eli kompakti jäänne ja seuralastähti, todennäköisesti yhä kiertävät toisiaan.

Mooren ryhmän keräämä havaintoaineisto, johon sisältyi Chilen Atacaman autiomaassa ESO:n NTT:llä tehtyjä havaintoja, ei mahdollistanut tarkkaa selvitystä siitä, miten kohteiden välinen vuorovaikutus aiheuttaa valokäyrän nousut ja laskut. Chenin ryhmä oli kuitenkin tehnyt lisähavaintoja. He havaitsivat järjestelmän kirkkaudessa samoja säännöllisiä vaihteluita kuin Mooren ryhmä oli havainnut, ja he havaitsivat kohteessa myös vetykaasun jaksollista liikettä ja gammasädepurkauksia. Chenin ryhmän havainnot olivat mahdollisia, koska he käyttivät maassa ja avaruudessa sijaitsevia instrumentteja, joihin myös Chilessä ESO:n VLT:ssä oleva X-shooter kuului.

Kun kaikki tieto yhdistetään, nämä kaksi ryhmää ovat yleisesti ottaen yhtä mieltä siitä, että kun seuralaistähti vuorovaikutti supernovaräjähdyksen aikana irronneen materian kanssa, sen vetypitoisesta ilmakehästä tuli tavallista suurempi. Kun räjähdyksen jälkeen jäljelle jäänyt kompakti kohde kiersi kiertoradallaan seuralaisensa kaasukehän läpi, se varasti vetykaasua kumppaniltaan muodostaen ympärilleen kuuman ainekiekon. Tämä jaksollinen aineen kerääminen tuotti paljon energiaa, joka havainnoissa näkyi säännöllisinä kirkkauden muutoksina.

Vaikka tutkimusryhmät eivät kyenneet havaitsemaan kompaktista kohteesta tulevaa valoa suoraan, he päättelivät, että tämä energiaa tuottava aineen varastaminen voi johtua vain näkymättömästä neutronitähdestä tai mahdollisesti mustasta aukosta, joka imee ainetta seuralaistähden laajentuneesta ilmakehästä. "Tutkimuksemme on kuin palapelin ratkaisemista, missä kaikki mahdolliset todisteet kerätään yhteen", Chen sanoi. "Huomioimalla nämä kaikki palaset saadaan totuus selville".

Vaikka mustan aukon tai neutronitähden läsnäolo on nyt vahvistettu, tässä arvoituksellisessa kohteessa on vielä paljon tutkittavaa. Kompaktin kohteen tarkkaa luonnetta ei tunneta, eikä tiedetä mikä tämän kohteen kehityksen lopputulos voisi olla. Seuraavan sukupolven teleskoopit, kuten ESO:n Extremely Large Telescope, eli ELT-kaukoputki on tässä tärkeässä roolissa ja sen avulla tähtitieteilijät voivat paljastaa tästä ainutlaatuisesta järjestelmästä ennennäkemättömiä yksityiskohtia. ELT:n on tarkoitus aloittaa toimintansa myöhemmin tämän vuosikymmenen aikana.

--

Tässä esitelty tutkimus on julkaistu kahdessa erillisessä artikkelissa. P. Chenin johtaman tutkimusryhmä on julkaissut artikkelin nimeltään: “A 12.4 day periodicity in a close binary system after a supernova” Nature (doi: 10.1038/s41586-023-06787-x) julkaisusarjassa.