La strana storia di supernove ricche di calcio

Quando SN 2005E è esploso, ha fatto un grande salto - e non solo per quello che ha espulso.

Una delle caratteristiche uniche dell'astronomia è che la maggior parte degli oggetti a cui siamo interessati non può essere studiata in laboratorio. In sostanza, l'intero universo osservabile è il nostro laboratorio e tutto ciò che noi umani possiamo fare è guardarci attorno. Prendi, ad esempio, le supernovae. Per fortuna non c'è modo di crearne uno qui sulla Terra, quindi gli astronomi devono sorvegliare il cielo, osservando e aspettando che accada qualcosa di straordinario.

Di tanto in tanto, la natura ci regala qualcosa di spettacolare. Nel 2005, la luce proveniente da una stella che esplode nella galassia solitaria NGC 1032 ha raggiunto la Terra e gli astronomi del Lick Observatory hanno catalogato l'evento come SN 2005E (Perets et al. 2010). Dopo aver fatto una serie di osservazioni di follow-up, si resero conto di quale fosse il pezzo davvero straordinario della supernova: gran parte della materia espulsa dall'esplosione era, inspiegabilmente, il calcio. Aggiungete a ciò il fatto che la supernova si è verificata negli estremi estremi di NGC 1032 e che SN 2005E è diventato improvvisamente un obiettivo di interesse.

NGC 1032, visto attraverso il telescopio Schulman all'Osservatorio Mount Lemmon nel 2011. SN 2005E non è visibile, poiché l'immagine è stata scattata sei anni dopo. Immagine di credito: Adam Block, Mount Lemmon SkyCenter, Università dell'Arizona, con licenza Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Stati Uniti

La supernova alla fine divenne il prototipo di una classe di oggetti noti come supernove ricche di calcio. Come suggerisce il nome, circa la metà del loro ejecta è costituita da calcio, piuttosto che da idrogeno o elio. Si verificano o lontano dal centro di una galassia o nello spazio intergalattico, da qualche parte nel mezzo di un ammasso di galassie e lontano da ogni singola galassia. 14 anni dopo, la nostra immagine di questi eventi sta lentamente iniziando a focalizzarsi, ma i meccanismi precisi dietro di loro rimangono sconosciuti.

Il post del blog di questa settimana parla dello strano caso di SN 2005E, ulteriori scoperte di supernova ricche di calcio e l'improbabile sequenza di eventi che pensiamo siano necessari per produrne uno. Rari, oscuri e misteriosi, forniscono una nuova finestra su ciò che va ad arricchire gas e polvere interstellare.

50% di calcio, 100% unico

Fig.1, Perets et al. (a) mostra un'immagine SDSS di NGC 1032 prima della supernova; (b) mostra successivamente un'immagine KAIT, con SN 2005E chiaramente visibile.

Molte immagini di supernove mostrano galassie faccia a faccia, con l'esplosione un punto luminoso di luce spruzzato da qualche parte. Non possiamo ottenere fotografie di SN 2005E che assomigliano a qualcosa del genere, tuttavia, perché NGC 1032 ci appare all'avanguardia, presentando solo una vista laterale. Nelle immagini iniziali dell'Osservatorio Lick - prese usando il Katzman Automatic Imaging Telescope (KAIT) - la supernova appare solo come un punto relativamente lontano dalla galassia ospite, 22,9 kpc radialmente dal centro e un sorprendente 11,3 kpc sopra il disco. Se non avessimo avuto immagini precedenti di NGC 1032 dello Sloan Digital Sky Survey (SDSS), che mostravano solo uno spazio vuoto in cui appariva la supernova, potrebbe essere scambiato per una stella di campo o una galassia di sfondo separata.

Tuttavia, le osservazioni di follow-up e la spettroscopia hanno confermato che SN 2005E era una supernova. Gli spettri non mostravano linee di idrogeno, escludendo una supernova di tipo II, ma mancavano anche le caratteristiche di silicio di una supernova di tipo Ia, portando inizialmente il team a classificarlo come supernova di tipo Ib, con una stella massiccia che era stata spogliata del suo idrogeno busta come progenitore. Tuttavia, gli spettri hanno anche indicato che erano state espulse solo circa 0,3 masse solari, il che sembrava implicare che una stella massiccia non avrebbe potuto essere responsabile. Inoltre, non c'era formazione stellare nelle vicinanze.

Fig. 2, Perets et al. Le forti linee di calcio sono chiare in questi spettri di SN 2005E, indicando che sono state espulse circa 0,135 masse solari di calcio.

Questo ha presentato un puzzle. Anche la massa dell'ejecta era troppo bassa per una normale supernova di tipo Ia. Ulteriori studi hanno mostrato linee di calcio straordinariamente forti, il che significa che il 40-50% dell'ejecta, in massa, era costituito da calcio. Ciò non era mai stato osservato prima, sebbene alcuni modelli di sistemi nani bianchi nani bianchi prevedessero che ciò potesse avvenire attraverso una detonazione di elio donato sulla superficie di uno dei componenti, con progenitori nani bianchi doppi necessari per spiegare l'estrema bassa luminosità di SN 2005E, debole anche rispetto alle supernovae di tipo Ia.

Fig. S3, Perets et al. SN 2005E ha anche mostrato particolari quantità di azoto nei suoi ejecta - quantità simili a quelle prodotte dalle supernove di collasso del nucleo di tipo II, ma frazioni simili alle supernove di tipo Ib. Inoltre, la massa totale espulsa era più piccola del normale per qualsiasi classe - più vicina a quella prevista per le supernovae di tipo Ia, ma notevolmente debole.

Rimaneva una domanda: in che modo SN 2005E si allontanava così tanto da NGC 1032? La spiegazione più probabile era che il progenitore fosse stata una stella ipervelocia, originariamente espulsa dalla regione interna della galassia dopo un incontro con un buco nero supermassiccio (SMBH) o binario SMBH. Le velocità necessarie per spingere una stella massiccia così lontano dal centro prima che esplodesse variavano da 300 km / sa 1600 km / s - non irragionevole. Tuttavia, la velocità con cui si verificano tali incontri per stelle di massa elevata rende improbabile che questo evento sia visto dal telescopio e, insieme alle osservazioni, è improbabile che il progenitore sia una singola stella massiccia, ma invece un sistema binario nano bianco , similmente espulso dal centro della galassia.

Le supernove ricche di calcio sono davvero sole?

SN 2005E non è rimasta l'unica supernova ricca di calcio conosciuta. Lo stesso team che lo ha scoperto ha anche trovato una serie di precedenti supernove nei dati di archivio che avevano molte delle stesse proprietà e altri gruppi sono stati in grado di rilevarne di nuovi, oltre a studiare le precedenti supernove in modo più dettagliato. A questo punto, divenne chiaro che tutti gli oggetti avevano alcune proprietà in comune: avevano ejecta a bassa massa, una grande frazione del quale era calcio, e giacevano lontani dai centri delle galassie, estendendosi a distanze di molte decine di kiloparsecs.

Fig. 3, Lyman et al. Anche SN 2007ke si è verificato lontano da qualsiasi galassia vicina. Il secondo e il terzo fotogramma sono l'inserto visto da Hubble attraverso diversi filtri, mostrando altri obiettivi di interesse.

Il fatto che le supernovae stessero avvenendo in grandi separazioni ha motivato la ricerca di deboli galassie ospiti. Ad esempio, era possibile che SN 2003dr, sfalsato dal disco di NGC 5714, fosse effettivamente situato in un debole ammasso globulare, o addirittura in una galassia nana a bassa luminosità superficiale? No, ha detto Lyman et al. 2016, per quanto ha potuto vedere Hubble. Il team ha trovato risultati simili per un certo numero di supernove ricche di calcio, confermando l'idea che queste supernove si verificano davvero lontano dal nucleo di qualsiasi galassia.

È stato anche sorprendente che alcune di queste supernove si stessero chiaramente verificando nello spazio tra le galassie, non solo nelle loro zone esterne. In effetti, studiando alcune supernove ricche di calcio come PTF12bho e PTF11kmb, è diventata una sfida determinare da dove provenivano (vedi Lunnan et al. 2017). Ad esempio, mentre quest'ultimo è uno sbalorditivo 150 kpc di NGC 7265, quella galassia rimane la più probabile fonte di progenitori, poiché altri candidati hanno spostamenti verso il rosso che li posizionano più lontano dal gruppo di galassie.

Fig.10, Lunnan et al. PFT12bho in due diversi campi SDSS della sua casa, il Coma Cluster.

Con una dimensione del campione maggiore di supernove ricche di calcio, gli astronomi hanno determinato che hanno tutti un numero di fattori in comune, tra cui la luminosità intermedia e le curve di luce che cambiano rapidamente rispetto alle supernove normali. Ciò ha semplificato l'identificazione di nuovi candidati tra supernovae precedentemente note, ma non ne conosciamo ancora molte. Eventualmente, con un po 'di fortuna, quel numero crescerà.