Die nächste Supernova seit einem Jahrzehnt zeigt, wie sich explodierende Sterne entwickeln

Alex Filippenko ist der Typ, der ein Teleskop zu einer Party mitbringt. Getreu seiner Art begeisterte er seine Gastgeber bei einer Soiree am 18. Mai dieses Jahres mit Bildern von Sternhaufen und farbenfrohen Galaxien – darunter der dramatischen spiralförmigen Windradgalaxie – und machte von jedem Teleskopfotos.

Erst am späten Nachmittag erfuhr er, dass gerade eine helle Supernova in der Pinwheel-Galaxie entdeckt worden war. Und siehe da, er hatte sie auch am Abend zuvor um 23 Uhr eingefangen – elfeinhalb Stunden vor der Entdeckung der Explosion am 19. Mai durch den Amateurastronomen Koichi Itagaki in Japan.

Filippenko, Professor für Astronomie an der University of California in Berkeley, der Doktorand Sergiy Vasylyev und der Postdoktorand Yi Yang verwarfen einige Stunden später ihre geplanten Beobachtungen am Lick-Observatorium der UC auf dem Mount Hamilton, um sich auf den explodierenden Stern zu konzentrieren mit dem Namen SN 2023ixf. Sie und Hunderte andere Astronomen waren seit 2014 bestrebt, die nächste Supernova zu beobachten, nur 21 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.

Bei diesen Beobachtungen handelte es sich um die frühesten Messungen polarisierten Lichts einer Supernova überhaupt, die die sich entwickelnde Form einer Sternexplosion deutlicher zeigten. Die Polarisation des Lichts entfernter Quellen wie Supernovae liefert die besten Informationen über die Geometrie des Objekts, das das Licht aussendet, selbst bei Ereignissen, die nicht räumlich auflösbar sind.

„Einige Sterne durchlaufen vor der Explosion Wellenbewegungen – ein unruhiges Verhalten, das einen Teil der Materie sanft ausstößt –, sodass bei der Explosion der Supernova entweder die Stoßwelle oder die ultraviolette Strahlung die Materie zum Leuchten bringt“, sagte Filippenko. „Das Coole an der Spektropolarimetrie ist, dass wir Hinweise auf die Form und Ausdehnung des zirkumstellaren Materials erhalten.“

Die Spektropolarimetriedaten erzählten eine Geschichte im Einklang mit aktuellen Szenarien für die letzten Jahre eines Roten Überriesen, der etwa 10 bis 20 Mal massereicher als unsere Sonne ist: Die Energie der Explosion erhellte Gaswolken, die der Stern in den vergangenen Jahren ausgestoßen hatte; Die Ejekta drangen dann durch dieses Gas, zunächst senkrecht zur Masse des zirkumstellaren Materials; und schließlich verschlang der Auswurf das umgebende Gas und entwickelte sich zu einer sich schnell ausdehnenden, aber symmetrischen Trümmerwolke.

Die Explosion, eine Supernova vom Typ II, die aus dem Zusammenbruch des Eisenkerns eines massereichen Sterns resultierte, hinterließ vermutlich einen dichten Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch. Solche Supernovae werden als kalibrierbare Kerzen verwendet, um die Entfernungen zu entfernten Galaxien zu messen und den Kosmos zu kartieren.

Eine andere Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Ryan Chornock, einem außerordentlichen Professor für Astronomie an der UC Berkeley, sammelte spektroskopische Daten mit demselben Teleskop am Lick-Observatorium. Der Doktorand Wynn Jacobson-Galán und Professor Raffaella Margutti analysierten die Daten, um die Geschichte des Sterns vor und nach der Explosion zu rekonstruieren, und fanden Hinweise darauf, dass er in den letzten drei bis sechs Jahren Gas ausgestoßen hatte, bevor er kollabierte und explodierte. Die Menge des vor der Explosion freigesetzten oder ausgestoßenen Gases könnte 5 % seiner Gesamtmasse betragen haben – genug, um eine dichte Materialwolke zu erzeugen, durch die sich die Supernova-Auswürfe hindurchpflügen mussten.

„Ich denke, diese Supernova wird viele von uns dazu bringen, viel detaillierter über die Feinheiten der gesamten Population roter Überriesen nachzudenken, die vor der Explosion viel Material verlieren, und unsere Annahmen über den Massenverlust in Frage stellen“, sagte Jacobson-Galán. „Dies war ein perfektes Labor, um die Geometrie dieser Explosionen und die Geometrie des Massenverlusts detaillierter zu verstehen, etwas, worüber wir uns ohnehin nicht im Klaren waren.“

Das verbesserte Verständnis darüber, wie Supernovae vom Typ II entstehen, könnte dazu beitragen, ihre Verwendung als Entfernungsmaß im expandierenden Universum zu verfeinern, sagte Vasylyev.

Die beiden Artikel, die diese Beobachtungen beschreiben, wurden zur Veröffentlichung in The angenommen Astrophysikalische Tagebuchbriefe. Margutti und Chornock sind Co-Autoren beider Artikel, die derzeit auf der Website verfügbar sind arXiv Preprint-Server.

Eine der bislang am besten untersuchten Supernovae

In den mehr als drei Monaten, seit das Licht der Supernova die Erde erreichte, wurden vielleicht drei Dutzend Artikel darüber eingereicht oder veröffentlicht. Weitere werden folgen, da das Licht der Explosion weiterhin eintrifft und die Beobachtungen verschiedener Teleskope analysiert werden.

„In der Welt der Typ-II-Supernovae kommt es sehr selten vor, dass grundsätzlich jede Wellenlänge erfasst wird, von harter Röntgenstrahlung über weiche Röntgenstrahlung bis hin zu Ultraviolett, optisch, nahinfrarot, Radio, Millimeter. Es ist also wirklich selten und einzigartig.“ Chance“, sagte Margutti, eine Berkeley-Professorin für Physik und Astronomie. „Diese Papiere sind der Anfang einer Geschichte, das erste Kapitel. Jetzt schreiben wir die anderen Kapitel der Geschichte dieses Sterns.“

„Die große Frage hier ist, dass wir einen Zusammenhang zwischen dem Leben eines Sterns und dem Tod eines Sterns herstellen wollen“, sagte Chornock. „Angesichts der Nähe dieses Ereignisses wird es uns ermöglichen, die vereinfachenden Annahmen, die wir bei den meisten anderen von uns untersuchten Supernovae treffen müssen, in Frage zu stellen. Wir verfügen über eine solche Fülle an Details, dass wir herausfinden müssen, wie das geht.“ Fügen Sie alles zusammen, um dieses spezielle Objekt zu verstehen, und das wird dann unser Verständnis des breiteren Universums beeinflussen.

Die Teleskope des Lick-Observatoriums auf dem Gipfel des Mount Hamilton in der Nähe von San Jose waren entscheidend für die Bemühungen der Astronomen, ein vollständiges Bild der Supernova zu erstellen. Der Kast-Spektrograph am Shane 120-Zoll-Teleskop ist in der Lage, schnell von einem normalen Spektrometer zu einem Spektropolarimeter umzuschalten, was es Vasylyev und Filippenko ermöglichte, Messungen sowohl des Spektrums als auch seiner Polarisation zu erhalten. Die von Jacobson-Galán, Chornock und Margutti geleitete Gruppe nutzte sowohl den Kast-Spektrographen als auch das Photometer am Nickel-40-Zoll-Teleskop, mit Photometrie (Helligkeitsmessungen) auch vom Pan-STARRS-Teleskop in Hawaii im Rahmen der Young Supernova Experiment-Kollaboration.

Die Polarisation des von einem Objekt emittierten Lichts – also die Ausrichtung des elektrischen Feldes der elektromagnetischen Welle – enthält Informationen über die Form des Objekts. Licht aus einer kugelsymmetrischen Wolke wäre beispielsweise unpolarisiert, da sich die elektrischen Felder symmetrisch aufheben. Licht von einem länglichen Objekt würde jedoch eine Polarisation ungleich Null erzeugen.

Während polarimetrische Messungen von Supernovae schon seit mehr als drei Jahrzehnten durchgeführt werden, sind nur wenige für solche Messungen nahe genug – und damit hell genug –. Und keine andere Supernova wurde bereits 1,4 Tage nach der Explosion beobachtet wie SN 2023ixf.

Die Beobachtungen brachten einige Überraschungen.

„Das Aufregendste ist, dass diese Supernova zu frühen Zeiten eine sehr hohe Kontinuumspolarisierung von fast 1 % aufweist“, sagte Vasylyev. „Das klingt nach einer kleinen Zahl, ist aber tatsächlich eine große Abweichung von der sphärischen Symmetrie.“

Anhand der sich ändernden Intensität und Richtung der Polarisation konnten die Forscher drei verschiedene Phasen in der Entwicklung des explodierenden Sterns identifizieren. Zwischen einem und drei Tagen nach der Explosion wurde das Licht von der Emission des zirkumstellaren Mediums dominiert, möglicherweise einer Materialscheibe oder einem schiefen Gasklumpen, der zuvor vom Stern abgeworfen wurde. Dies war auf die Ionisierung des umgebenden Gases durch ultraviolettes und Röntgenlicht der Explosion sowie auf durch das Gas strömendes Sternmaterial, die sogenannte Stoßionisation, zurückzuführen.

„Schon früh sagen wir, dass das meiste Licht, das wir sehen, von einer Art nicht-sphärischem zirkumstellaren Medium stammt, das auf etwa 30 AE beschränkt ist“, sagte Yang. Eine astronomische Einheit (AE), die durchschnittliche Entfernung zwischen der Erde und unserer Sonne, beträgt 93 Millionen Meilen.

Nach 3,5 Tagen sank die Polarisation schnell um die Hälfte und verschob sich dann einen Tag später um fast 70 Grad, was auf eine abrupte Änderung der Geometrie der Explosion schließen lässt. Sie interpretieren diesen Moment, 4,6 Tage nach der Explosion, als den Zeitpunkt, als der Auswurf des explodierenden Sterns aus dem dichten zirkumstellaren Material ausbrach.

„Im Wesentlichen verschlingt es das zirkumstellare Material, und man erhält diese erdnussförmige Geometrie“, sagte Vasylyev. „Die Intuition besteht darin, dass das Material in der Äquatorialebene dichter ist und die Auswürfe verlangsamt werden und der Weg des geringsten Widerstands in Richtung der Achse führt, wo es weniger zirkumstellares Material gibt. Deshalb erhält man diese Erdnussform, die mit dem Vorzug übereinstimmt.“ Achse, durch die es explodiert.

Die Polarisation blieb zwischen dem 5. und 14. Tag nach der Explosion unverändert, was darauf hindeutet, dass die expandierenden Ejekta den dichtesten Bereich des umgebenden Gases überwältigt hatten, sodass die Emission der Ejekta das Licht der Schockionisation dominierte.

Schockionisation

Die spektroskopische Entwicklung stimmte in etwa mit diesem Szenario überein, sagte Jacobson-Galán. Er und sein Team sahen etwa einen Tag nach der Explosion Emissionen aus dem den Stern umgebenden Gas, die wahrscheinlich entstanden, als das Auswurfmaterial in das zirkumstellare Medium einschlug und ionisierende Strahlung erzeugte, die das umgebende Gas dazu veranlasste, Licht zu emittieren. Spektroskopische Messungen des Lichts dieser Stoßionisation zeigten Emissionslinien von Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff und Stickstoff, was typisch für Kernkollaps-Supernovae ist.

Die durch die Stoßionisierung erzeugten Emissionen hielten etwa acht Tage lang an, danach nahmen sie ab, was darauf hindeutet, dass sich die Stoßwelle in einen weniger dichten Raumbereich mit wenig Gas zum Ionisieren und erneuten Ausstoßen bewegt hatte, ähnlich wie Wassiljew und Filippenko beobachteten.

Margutti bemerkte, dass andere Astronomen sich Archivbilder der Pinwheel-Galaxie angesehen und in den Jahren vor der Explosion mehrere Gelegenheiten gefunden hätten, bei denen der Vorläuferstern heller geworden sei, was darauf hindeutet, dass der Rote Überriese wiederholt Gas abgestoßen habe. Dies steht im Einklang mit den Beobachtungen ihrer Gruppe von Auswurfmaterial aus der Explosion, das dieses Gas durchpflügt, obwohl sie eine Dichte schätzen, die etwa 1.000-mal geringer ist, als die Wellen vor der Explosion vermuten ließen.

Die Analyse anderer Beobachtungen, einschließlich Röntgenmessungen, könnte dieses Problem lösen.

„Dies ist eine ganz besondere Situation, in der wir wissen, was der Vorläufer zuvor getan hat, weil wir gesehen haben, wie er langsam oszillierte, und wir alle Sonden an Ort und Stelle haben, um zu versuchen, die Geometrie des zirkumstellaren Mediums zu rekonstruieren“, sagte sie. „Und wir wissen mit Sicherheit, dass es nicht kugelförmig sein kann. Indem wir die strahlenden Röntgenstrahlen mit dem kombinieren, was Wynn gefunden hat und was Sergiy und Alex gerade finden, werden wir in der Lage sein, ein vollständiges Bild der Explosion zu erhalten.“

Die Astronomen würdigten die Hilfe zahlreicher Forscher und Studenten, die ihre Beobachtungszeit in Lick geopfert hatten, damit sich die Teams auf SN 2023ixf konzentrieren konnten, sowie die Beobachtungsunterstützung von Thomas Brink, einem außerordentlichen Spezialisten für Astronomie an der UC Berkeley.

Filippenko hat sein frühes Foto von SN 2023ixf mit einem Unistellar eVscope aufgenommen, das bei Amateuren beliebt geworden ist, weil das Teleskop Hintergrundlicht subtrahiert und so eine nächtliche Beobachtung in Gebieten wie Städten mit starker Lichtverschmutzung ermöglicht. Er und 123 andere Astronomen – überwiegend Amateure –, die Unistellar-Teleskope nutzten, veröffentlichten kürzlich ihre frühen Beobachtungen der Supernova.

„Diese zufällige Beobachtung, die ich während einer öffentlichen Öffentlichkeitsarbeit in der Astronomie gemacht habe, zeigt, dass der Stern wesentlich früher explodierte als zu dem Zeitpunkt, als Itagaki ihn entdeckte“, sagte er und fügte scherzhaft hinzu: „Ich hätte meine Daten sofort prüfen sollen.“