Zoals astronomische verschijnselen gaan, behoren supernova's tot de meest fascinerende en spectaculaire. Dit proces vindt plaats wanneer bepaalde soorten sterren het einde van hun levensduur bereiken, waar ze exploderen en hun buitenste lagen afwerpen. Dankzij generaties van onderzoek hebben astronomen de meeste waargenomen supernova's kunnen indelen in een van de twee categorieën (type I en type II) en kunnen ze bepalen welke soorten sterren de voorlopers zijn.
Echter, tot nu toe hebben astronomen niet kunnen bepalen welk type ster uiteindelijk leidt tot een Type Ic supernova - een special van klasse waar een ster kern instort nadat hij is ontdaan van zijn waterstof en helium. Maar dankzij de inspanningen van twee teams van astronomen die de archiefgegevens van de Hubble-ruimtetelescoop, wetenschappers hebben nu de lang gezochte ster gevonden die dit type supernova veroorzaakt.
In principe wordt aangenomen dat type I-supernova's het resultaat zijn van binaire systemen die bestaan uit een witte dwerg en een begeleidende ster die dicht bij elkaar cirkelen. Na verloop van tijd begint de witte dwerg materiaal van de metgezel over te hevelen totdat een kritische massa is bereikt. De oververpakte witte dwerg ervaart vervolgens de instorting van de kern en explodeert in een ongelooflijk heldere uitbarsting van materiaal en energie.
In het geval van Type Ic supernovae, die goed zijn voor ongeveer 20% van de zware sterren die exploderen door het instorten van de kern, heeft de ster zijn buitenste laag waterstof en het grootste deel van zijn helium verloren. Deze sterren behoren tot de meest massieve die bekend zijn - met minstens 30 zonsmassa's - en blijven helder, zelfs nadat ze hun buitenste lagen hebben afgestoten. Het is daarom een raadsel waarom astronomen er geen hebben kunnen ontdekken voordat het supernova werd.
Gelukkig werd in 2017 een Type Ic-supernova waargenomen die plaatsvond in een cluster van jonge sterren in het spiraalstelsel NGC 3938, op ongeveer 65 miljoen lichtjaar afstand. De eerste ontdekking werd gedaan door astronomen van de Tenagra Observatories in Arizona, maar de twee teams van astronomen wendden zich tot Hubble om de exacte locatie van de bron te bepalen.
Het eerste team, geleid door Schuyler D. Van Dyk - een senior onderzoeker bij Caltech's Infrared Processing and Analysis Center (IPAC) - maakte in juni 2017 een beeld van de jonge supernova met Hubble's Groothoekcamera 3 (WFC 3). Vervolgens gebruikten ze dit beeld om de kandidaat-voorouder in archief te lokaliseren Hubble foto's gemaakt in december 2007 van NGC 3938.
Het tweede team, onder leiding van Charles Kilpatrick van de University of California Santa Cruz, observeerde de supernova in juni 2017 in infraroodbeelden met een van de 10 m telescopen van de W.M. Keck Observatory in Hawaï. Het team analyseerde vervolgens hetzelfde archief Hubble foto's als het team van Van Dyk om de mogelijke bron te achterhalen.
Beide teams publiceerden studies die erop wezen dat de stamvader waarschijnlijk een blauwe superreus was in een van de spiraalarmen van NGC 3938. Zoals Van Dyk aangaf in een recent persbericht van NASA, “Het vinden van een bonafide stamvader van een supernova Ic is een grote prijs bij het zoeken naar voorlopers. We hebben nu voor het eerst een duidelijk gedetecteerd kandidaat-object. ”
Het feit dat de supernova (aangeduid als SN 2017ein) in de eerste plaats werd ontdekt, was ook heel gelukkig, zoals Kilpatrick uitlegde:
“We hadden het geluk dat de supernova dichtbij en zeer helder was, ongeveer 5 tot 10 keer helderder dan andere Type Ic-supernova's, waardoor de stamvader misschien gemakkelijker te vinden was. Astronomen hebben veel Type Ic-supernova's waargenomen, maar ze zijn allemaal te ver weg om door Hubble te worden opgelost. Je hebt een van deze enorme, heldere sterren in een nabijgelegen sterrenstelsel nodig om af te gaan. Het lijkt erop dat de meeste Type Ic-supernova's minder massief en daarom minder helder zijn, en dat is de reden dat we ze niet hebben kunnen vinden. "
Beide teams boden op basis van hun beoordeling van de stamvader twee mogelijkheden voor de identiteit van de bron. Aan de ene kant suggereerden ze dat het een enkele zware ster van tussen de 45 en 55 zonsmassa's zou kunnen zijn die heel helder en heet brandde, waardoor het de buitenste lagen van waterstof en helium verbrandde voordat het door de zwaartekracht ineenstortte.
Een tweede mogelijkheid was dat de voorloper een enorm binair systeem was dat bestond uit een ster die tussen de 60 en 80 zonsmassa's was en een metgezel die 48 zonsmassa's was. In dit scenario werd de zwaardere ster door zijn metgezel ontdaan van zijn waterstof- en heliumlagen voordat hij explodeerde als een supernova.
De tweede mogelijkheid was een beetje een verrassing, aangezien astronomen dit niet verwachten op basis van huidige modellen. Als het gaat om Type I supernova's, verwachten astronomen dat de binaire systemen bestaan uit sterren met een lagere massa, meestal een neutronenster met een metgezel die zijn hoofdreeks heeft verlaten en is uitgegroeid tot een rode reus.
De ontdekking van deze stamvader heeft dus iets mysterieus opgelost voor astronomen. Ze weten al geruime tijd dat Type Ic-supernovae een tekort aan waterstof en helium hadden en wisten niet precies waarom. Een mogelijke verklaring was dat ze werden gestript door sterke winden van geladen deeltjes. Maar hiervan is nooit bewijs gevonden.
De andere mogelijkheid bestond uit binaire paren die dicht bij elkaar stonden, waarbij één ster van zijn buitenste lagen werd ontdaan voordat hij explodeerde. Maar in dit geval ontdekten ze dat de ster die van materiaal was ontdaan nog steeds massief genoeg was om uiteindelijk te exploderen als een Type Ic-supernova.
Ori Fox, een onderzoeker bij het Space Telescope Science Institute (STSI) in Baltimore en lid van het team van Van Dyk, legde uit:
“Het ontwarren van deze twee scenario's voor het produceren van Type Ic-supernova's heeft invloed op ons begrip van de evolutie van sterren en de vorming van sterren, inclusief hoe de massa's van sterren worden verdeeld wanneer ze worden geboren, en hoeveel sterren er ontstaan in interagerende binaire systemen. En dat zijn vragen die niet alleen astronomen die supernova's bestuderen willen weten, maar waar alle astronomen naar op zoek zijn. '
De twee teams gaven ook aan dat ze de identiteit van de stamvader niet kunnen bevestigen totdat de supernova na ongeveer twee jaar verdwijnt. Op dit moment hopen ze NASA's te gebruiken James Webb Space Telescope (JWST), die gepland is om in 2021 te lanceren, om te zien of de stamvader nog steeds erg helder is (zoals verwacht) en om nauwkeurigere metingen te doen van zijn helderheid en massa.
Deze laatste ontdekking vult niet alleen enkele gaten in onze kennis over hoe sommige sterren zich gedragen wanneer ze het einde van hun hoofdreeksfase bereiken, het biedt astronomen ook de kans om meer te leren over de vorming en evolutie van sterren in ons heelal . Wanneer de komende jaren telescopen van de volgende generatie beschikbaar komen, hopen astronomen vitale inzichten te krijgen in deze vragen.
Het onderzoek onder leiding van Van Dyk, getiteld "SN 2017ein and the Possible First Identification of a Type Ic Supernova Progenitor", verscheen in The Astrophysical Journal in juni. De tweede studie, "Een potentiële voorloper van de Type Ic supernova 2017ein", verscheen in de Maandelijkse aankondigingen van de Royal Astronomical Society afgelopen oktober.
