Ny typ av supernova löser 40 år gammal gåta

I dag tror astronomerna att de två observationerna från 1054 och 2018 har något gemensamt. I båda fallen har astronomerna fått syn på en supernova – en exploderande stjärna – av en speciell och sällsynt typ som kallas en elektroninfångande supernova (EI-supernova).

Med upptäckten kan forskarna slutligen förklara vad som händer med stjärnor som är mycket större och tyngre än solen, men trots det inte hör hemma i den absoluta superligan bland stjärnorna.

Ödet för de medelstora stjärnorna som väger mellan åtta och tio gånger så mycket som solen har varit omdebatterat inom astronomin.

Teorin är 40 år gammal

Det är mer än 40 år sedan som astronomen Ken’ichi Nomoto från universitetet i Tokyo förutspådde existensen av EI-supernovor. Sedan dess har astronomerna sökt efter supernovor som skulle kunna stämma med den teoretiska beskrivningen, men först med den nyupptäckta supernovan SN 2018zd blev det utdelning.

Efter ett par års observationer med flera teleskop är de nu övertygade om att SN 2018zd måste vara en EI-supernova.

Därmed står det klart att de medelstora stjärnorna slutar sina dagar med stor dramatik. När deras bränsle tar slut exploderar de som supernovor och efterlämnar neutronstjärnor – extremt kompakta himlakroppar som främst består av neutroner.

Supernovor är universums kraftigaste explosioner. En enda supernova kan lysa lika starkt som miljardtals vanliga stjärnor, samtidigt som den kastar ur sina rester av tunga grundämnen i universum. Där kan de senare ingå i bildandet av nya stjärnor med tillhörande planeter, på samma sätt som i vårt eget solsystem.

Utan supernovaexplosioner skulle solsystemet sakna många av de grundämnen som är nödvändiga för att bilda planeter och liv. Därför är det viktigt för astronomerna att förstå supernovor ordentligt – och det väcker självklart uppseende när en helt ny sorts supernova dyker upp.

Den grundläggande mekanismen bakom alla supernovor är att det inre trycket som finns i en stjärna blir för svagt för att motstå gravitationskraften som verkar i motsatt riktning.

Stjärnan kan bara upprätthålla sitt inre tryck så länge den har bränsle nog att hålla i gång sina fusionsprocesser.

När det inte finns fler atomkärnor som kan fusionera får gravitationskraften övertaget. Stjärnans kärna faller ihop och resultatet blir en supernovaexplosion.

De yttre delarna av stjärnan faller först in mot centrum och blåses därefter ut i rymden, medan kärnan förvandlas till ett ultrakompakt objekt – en neutronstjärna eller ett svart hål.

Döda stjärnor kan explodera

Hittills har astronomerna känt till processen bakom två typer av supernovor. Den enda typen uppstår när mycket tynga stjärnor dör, medan den andra är resultatet av en process, i vilken en lättare, men redan död stjärna – en så kallad vit dvärg – får möjlighet att suga till sig ny materia.

Det kan antingen vara från en partnerstjärna som kretsar runt den, eller en annan vit dvärg som den kolliderar med.

Med observationerna av SN 2018zd har astronomerna hittat förklaringen till hur även stjärnor i mellanklassen kan sluta som supernovor.

I de medelstora stjärnorna pågår en strid på kniven mellan gravitationskraften och trycket från atomerna i kärnans inre när stjärnan är på väg att brinna ut. Där är gravitationskraften inte självklart tillräckligt stark för att få stjärnan att kollapsa helt, men Ken’ichi Nomoto räknade ut att det trots allt kan hända ändå.

Trycket på kärnan blir nämligen så stort att atomernas elektroner pressas in i atomkärnorna och utan elektronernas hjälp kan inte stjärnans kärna hålla emot.

Det är ungefär som att pressa ihop luft i en igentäppt cykelpump. När du lägger press på kolven känner du att luftens molekyler gör motstånd. Ju hårdare du trycker, desto större blir motståndet.

Men om en stor del av molekylerna plötsligt försvann, så som elektronerna försvinner i centrum av en döende medelstor stjärna, skulle motståndet försvinna så att du lätt kunde trycka kolven i botten.

På samma sätt får gravitationskraften fritt spelutrymme när elektronerna i stjärnans kärna plötsligt försvinner. Resultatet blir en kollaps som är tillräckligt våldsam för att utlösa en supernova som den astronomerna nu har observerat.

Den nya EI-supernovan befinner sig i galaxen NGC 2146 hela 31 miljoner ljusår från jorden, så den är inte lätt att se. Och när astronomerna först fick syn på den uppfattade de inte den som något märkvärdigt.

Men närmare observationer av SN 2018zd visade att den uppförde sig annorlunda än andra supernovor och det ledde in forskarna på rätt spår.

Grundämnen gav beviset

Enligt den teoretiska modellen för en EI-supernova är det en ganska svag supernova, som inte skickar ut så mycket radioaktivt nickel som de vanligtvis gör.

Dessutom kommer den att omges av en massa materia som stjärnan kastar ut omedelbart före explosionen och denna materia kommer att innehålla mer helium, kol och kväve, men mindre syre än man ser i samband med att större stjärnor exploderar som supernovor.

Astronomerna använde ett flertal teleskop för att följa SN 2018zd under ett par år och det stod allt klarare att det kunde röra sig om en EI-supernova, då ljusstyrkan stämde överens med teorin. Särskilda instrument på tvillingteleskopet Keck på Hawaii kunde dessutom identifiera de grundämnen som skickades ut av supernovan så att teorin stämde även i det avseendet.

Det slutgiltiga beviset fick forskarna med hjälp av gamla bilder från de två rymdteleskopen Hubble och Spitzer. Där hittade de den stjärna som slutade med att explodera som supernovan SN 2018zd – och det var just en röd superjätte av den typ som enligt teorin skulle sluta som en EI-supernova.

Men kanske hann de kinesiska astronomerna först, för det var troligen en EI-supernova de såg redan 1054. Det stämmer i alla fall med ljusstyrkan och varaktigheten som den beskrevs i gamla kinesiska noteringar. Då skedde explosionen i vår egen galax bara 6 500 ljusår härifrån och därför kunde den ses med blotta ögat.

I och med upptäckten av SN 2018zd har astronomerna fått en bra förståelse för hur stjärnor i mellanklassen dör. Nu ska de fortsätta att jaga EI-supernovor, så att de kan ta reda på hur frekventa de är och hur stor betydelse de har för sammansättningen och spridningen av grundämnen i universum.