Odejść z hukiem, czyli ostatnie dni umierającej gwiazdy

Co 10 s gdzieś we Wszechświecie wybucha gwiazda. Te kataklizmy wyrzucają promieniowanie, pył i gaz, które pomagają kształtować galaktyki, formować nowe gwiazdy i planety oraz wzbogacać Wszechświat w pierwiastki ciężkie. Światło wyemitowane przez niewielki ułamek tych supernowych dociera do Ziemi i jest analizowane przez astronomów. Większość supernowych wybucha jednak tak daleko, że naukowcy chcący dowiedzieć się czegoś więcej mają do dyspozycji tylko garstkę fotonów.

Na początku tego roku astronomowie dostrzegli supernową, która w ciągu ostatnich 10 lat była jedną z najbliższych Ziemi. Odległość do niej to zaledwie 21 mln lat świetlnych – rzut beretem w porównaniu z ogromem obserwowalnego Wszechświata. Dzięki tej bliskości astronomowie mogą teraz poznać najdrobniejsze szczegóły jej ostatnich dni i uzyskać nowy wgląd w to, jak takie astrofizyczne spektakle się rozwijają i kształtują cały kosmos.

Supernową nazwaną SN 2023ixf jako pierwszy dostrzegł 19 maja japoński miłośnik astronomii Koichi Itagaki. Profesjonalni obserwatorzy od razu przystąpili do działania. „Cała społeczność zajmująca się supernowymi zabrała się do roboty tak szybko, jak to było możliwe” – mówi Griffin Hosseinzadeh z University of Arizona. Astronomowie korzystali z urządzeń takich, jak Kosmiczny Teleskop Hubble’a czy teleskopy Międzynarodowego Obserwatorium Gemini na Hawajach i Obserwatorium Licka w Kalifornii.

Itagaki dostrzegł tę supernową w Galaktyce Wiatraczek, zwanej również M101. Była to wstępna ocena, którą potwierdziły dalsze obserwacje. Astrofizycy koniecznie chcieli zidentyfikować gwiazdę, która wybuchła; w przypadku supernowych jest to trudne do ustalenia. Na szczęście na początku poprzedniej dekady galaktykę tę badała Joanne Pledger z University of Central Lancashire w Anglii, wykorzystując do tego celu nowe i archiwalne zdjęcia z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Powiększając te obrazy, Pledger zdołała zidentyfikować gwiazdę.

Był to czerwony nadolbrzym o promieniu około 420 razy większym od promienia Słońca i masie około 10 razy większej od masy Słońca. Wybuchy, w których eksploduje masywna gwiazda, określa się jako supernowe typu II. Następują one wtedy, gdy gwiazda wyczerpie swoje paliwo jądrowe i zapada się w sobie, wybuchowo wyrzucając zewnętrzne warstwy odbite od twardego jądra. Pozostałością może być gwiazda neutronowa albo czarna dziura. Pod koniec swego życia czerwone nadolbrzymy mogą stać się bardzo rozdęte i przed wybuchem wyrzucać z zewnętrznej atmosfery powłoki gazu i pyłu. Gdy dochodzi do wybuchu supernowej, warstwy zewnętrzne szybko ekspandują i uderzają w powstałe wcześniej powłoki, wytwarzając silną falę uderzeniową. Astronomowie wykryli ją w 2023ixf. „Nie jest to pierwsza obserwacja tego zjawiska – mówi Hosseinzadeh – ale nigdy nie widzieliśmy tak dobrze szczegółów”.

Na podstawie tych obserwacji Wynn Jacobson-Galán z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i jego koledzy obliczyli, że w latach poprzedzających eksplozję gwiazda straciła prawie 1% swojej masy. To w rzeczywistości „więcej, niż spodziewalibyśmy się po czerwonym nadolbrzymie” – mówi Jacobson-Galán. „Być może świadczy to o naszej niewiedzy na temat tego, jak czerwone nadolbrzymy ewoluują i umierają w ciągu ostatnich kilku lat przed wybuchem”.

Dni przed śmiercią czerwonych nadolbrzymów są kluczowe dla zrozumienia, jak supernowe wzbogacają galaktyki. Sposób, w jaki te gwiazdy tracą masę, „ma duży wpływ na ewolucję galaktyk” – mówi Azalee Bostroem z University of Arizona, która jest współautorką wielu badań 2023ixf. „I dostarcza pewnych informacji, które gwiazdy wybuchają jako jaki typ supernowych”. Naukowcy chcą również dowiedzieć się, skąd bierze się jasny wybuch energii obserwowany podczas supernowej – czy jego źródłem jest wyłącznie eksplozja, czy też pewna jego część pochodzi ze zderzenia fali uderzeniowej z otaczającymi supernową szczątkami. „Ma to związek z ilością materiału pozostałego w gwieździe podczas jej wybuchu” – mówi Bostroem.

Dzięki supernowej 2023ixf astrofizycy uzyskali również pierwszy w historii szczegółowy wgląd w skomplikowane interakcje między falą uderzeniową a materią, którą gwiazda wyrzuciła wcześniej. W szczególności naukowcy debatowali nad tym, czy wyrzucony gaz i pył utworzą wokół gwiazdy kulę, czy też bardziej asymetryczny kształt – na przykład spłaszczony dysk. Wyniki dla 2023ixf wskazują na to drugie, mówi Sergiy Vasylyev z University of California w Berkeley. Materia wyrzucona w trakcie wybuchu supernowej przyjmuje kształt rozszerzającej się klepsydry, a następnie uderza w ten dysk. Zróżnicowane orientacje dysków względem eksplodującej gwiazdy powodują, że supernowe typu II mogą ewoluować na zaskakująco dużo sposobów. „Widzimy, że takie zjawiska są zróżnicowane” – mówi Vasylyev.

Badania pobliskiej supernowej mogą również pomóc naukowcom przewidzieć, kiedy wybuchną inne czerwone nadolbrzymy. Zanim 2023ixf eksplodowała jako supernowa, silnie pulsowała. Monika Soraisam, która pracuje w należącym do National Science Foundation instytucie National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, wraz ze współpracownikami pokazała, że gwiazda znacznie zwiększała i zmniejszała swoje rozmiary w okresie około 1000 dni przed wybuchem. Wiadomo, że czerwone nadolbrzymy pulsują w ten sposób w końcowym okresie swojego życia. Przykładem może być Betelgeza – czerwony nadolbrzym w gwiazdozbiorze Oriona, który w ostatnich latach intensywnie migotał.

Astrofizycy uważają, że takie fluktuacje są jakimś zwiastunem ewentualnej eksplozji, ale teoretycznie pulsacje gwiazdy nie powinny mieć nic wspólnego z wybuchem supernowej. Jak mówi Soraisam, źródłem obu tych zjawisk są „całkowicie odmienne” mechanizmy. Jednakże niestabilności te nadal nie są zbyt dobrze poznane, co pozostawia możliwość, że między nimi rzeczywiście może istnieć jakiś związek. „I to właśnie intryguje nas w 2023ixf” – mówi Soraisam. – Tuż przed wybuchem wciąż obserwujemy bardzo regularną zmienność”. Jeśli naukowcom uda się ustalić związek między zmianami rozmiaru a eksplozją, może to pomóc w przewidywaniu, kiedy wybuchną inne czerwone nadolbrzymy.

Nie licząc ewentualnego wybuchu supernowej w naszej własnej Galaktyce – co jest marzeniem każdego współczesnego astronoma – ten jasny, krótki spektakl w galaktyce Wiatraczek może przez wiele lat być najlepszą okazją testowania obecnych modeli supernowych typu II i oglądu spektaklu twórczego niszczenia zachodzącego w kosmosie. „Zjawisko jest badane bardzo szczegółowo i z wielką precyzją – mówi Jacobson-Galán. – Z pewnością będzie to jedna z najlepiej przeanalizowanych supernowych XXI wieku”.