Supernova

Ny type supernova løser 40 år gammel gåde

Små stjerner bliver til hvide dværge, når de dør. Store stjerner ender som neutronstjerner eller sorte huller. Men hvad med dem midtimellem? Efter 40 års eftersøgning har en ny type supernova givet forskerne svaret.

Små stjerner bliver til hvide dværge, når de dør. Store stjerner ender som neutronstjerner eller sorte huller. Men hvad med dem midtimellem? Efter 40 års eftersøgning har en ny type supernova givet forskerne svaret.

Shutterstock

Pludselig dukker en ny stjerne op på himlen. Stjernen lyser så klart, at den ikke blot kan ses om natten, men også om dagen. Året er 1054, og kinesiske astronomer registrerer det nye himmellegeme som en “gæstestjerne”, der kan ses på nattehimlen i 653 døgn, før den forsvinder igen.

964 år senere sidder den japanske amatørastronom Koichi Itagaki og analyserer billeder, han netop har taget af nattehimlen ved hjælp af sit teleskop.

På et af billederne opdager han en lille, lysende prik, der ikke var der før. Han skynder sig at indrapportere sit fund, og professionelle astronomer følger op på opdagelsen ved hjælp af større teleskoper.

To supernovaer med næsten 1000 års mellemrum afslører skæbnen for stjerner i mellemklassen.

I dag mener astronomerne, at de to observationer fra 1054 og 2018 har noget tilfælles. I begge tilfælde har astronomerne fået øje på en supernova – en eksploderende stjerne – af en særlig og sjælden type, der kaldes en elektronindfangningssupernova (EI-supernova).

Med opdagelsen kan forskerne endelig forklare, hvad der sker med stjerner, der er langt større og tungere end Solen, men som trods alt ikke hører til i den absolutte superliga blandt stjernerne.

SN-2018zd1

Supernovaen SN 2018zd viser, hvordan en mellemstor stjerne ender sit liv. Den er fundet i udkanten af galaksen NGC 2146, som ligger 31 millioner lysår væk.

© J. DePasquale and Las Cumbres Observatory/STScU/NASA

Skæbnen for de mellemstore stjerner, der vejer mellem otte og ti gange så meget som Solen, har ellers været omdiskuteret blandt astronomerne.

Teorien er 40 år gammel

Det er mere end 40 år siden, at astronomen Ken’ichi Nomoto fra universitetet i Tokyo forudsagde eksistensen af EI-supernovaer. Siden har astronomerne ledt efter supernovaer, der kunne passe med den teoretiske beskrivelse, men først med den nyfundne supernova SN 2018zd var der gevinst.

Observationer gennem et par år med flere teleskoper har nu endeligt overbevist dem om, at SN 2018zd må være en EI-supernova.

Nomoto og Krabbetaagen

Japanske Ken’ichi Nomoto står bag teorien om de særlige EI-supernovaer – dvs. supernovaer som den, der var synlig på himlen i år 1054. I dag kan resterne af den ses som Krabbetågen.

© Ken Nomoto@Kavli IPMU/U. Tokyo/J. Hester and A. Loll (Arizona State University)/ESA/NASA

Dermed står det klart, at de mellemstore stjerner ender deres dage ganske dramatisk. Når de løber tør for brændstof, eksploderer de som supernovaer og efterlader neutronstjerner – ekstremt kompakte himmellegemer, der mest består af neutroner.

Dette er et vidunderligt eksempel på, hvordan observationer og teori kan kombineres. Ken’ichi Nomoto, astrofysiker og ophavsmand til teorien om EI-supernovaer

Supernovaer er universets kraftigste eksplosioner. En enkelt supernova kan lyse lige så stærkt som milliarder af almindelige stjerner, samtidig med at den kaster sine rester af tunge grundstoffer ud i universet. Her kan de senere indgå i dannelsen af nye stjerner med tilhørende planeter, som det er sket i vores eget solsystem.

Uden supernovaeksplosioner ville Solsystemet mangle mange af de grundstoffer, der er nødvendige for at danne planeter og liv. Derfor er det vigtigt for astronomerne at forstå supernovaer ordentligt – og det vækker naturligt nok opsigt, når en helt ny slags supernova dukker op.

Den grundlæggende mekanisme bag alle supernovaer er, at det indre tryk, som findes i en stjerne, bliver for svagt til at modstå tyngdekraften, som virker i den modsatte retning.

Stjernen kan kun opretholde sit indre tryk, så længe den har brændstof til at holde gang i sine fusionsprocesser.

Når der ikke er flere atomkerner, der kan fusionere, får tyngdekraften overtaget. Stjernens kerne falder sammen, og resultatet er en supernovaeksplosion.

De ydre dele af stjernen falder først ned mod centrum og blæses bagefter ud i rummet, mens kernen forvandles til et ultrakompakt objekt – en neutronstjerne eller et sort hul.

Døde stjerner kan eksplodere

Hidtil har astronomerne kendt processen bag to typer af supernovaer. Den ene type opstår, når meget tunge stjerner dør, mens den anden er resultatet af en proces, hvor en lettere, men allerede død stjerne – en såkaldt hvid dværg – får mulighed for at suge nyt stof til sig.

Det kan enten være fra en partnerstjerne, den kredser om, eller en anden hvid dværg, den støder sammen med.

Med observationerne af SN 2018zd har astronomerne forklaringen på, hvordan også stjerner i mellemklassen kan ende som supernovaer.

Tre slags stjerner kan ende som supernovaer

Supernova
© Shutterstock & Lotte Fredslund

Letvægt: under 8 solmasser

En hvid dværg, som er resterne af en mindre stjerne på Solens størrelse, kan eksplodere som supernova, hvis den suger stof nok til sig fra en stjerne i nærheden.

Supernova
© Shutterstock

Mellemvægt: 8-10 solmasser

En rød superkæmpe, som vejer mellem otte og ti solmasser, kan ende med at eksplodere som supernova gennem en særlig proces kaldet elektronindfangning.

Supernova
© Shutterstock

Sværvægt: over 10 solmasser

Kæmpestjerner på over ti solmasser ender altid deres liv som supernovaer. De letteste af dem efterlader neutronstjerner, mens de tungeste kollapser til sorte huller.

I de mellemstore stjerner er der kamp til stregen mellem tyngdekraften og trykket fra atomerne i stjernens indre, når stjernen er ved at brænde ud. Her er tyngdekraften ikke umiddelbart stærk nok til at få stjernen til at kollapse fuldstændig, men Ken’ichi Nomoto regnede ud, at det godt kan ske alligevel.

Trykket på kernen bliver nemlig så stort, at atomernes elektroner presses ind i atomkernerne, og uden elektronernes hjælp kan stjernens kerne ikke holde stand.

Situationen svarer til at presse luft sammen i en tilstoppet cykelpumpe. Når du lægger pres på stemplet, kan du mærke, at luftens molekyler gør modstand. Jo hårdere du trykker, desto større bliver modstanden.

Men hvis en stor del af molekylerne pludselig forsvandt, som elektronerne forsvinder i centrum af en døende, mellemstor stjerne, ville modstanden forsvinde, så du nemt kunne presse stemplet i bund.

Tilsvarende får tyngdekraften let spil, når elektronerne i stjernens kerne pludselig forsvinder. Resultatet er et kollaps, der er voldsomt nok til at udløse en supernova som den, astronomerne nu har observeret.

Den nye EI-supernova befinder sig i galaksen NGC 2146 hele 31 millioner lysår fra Jorden, så den syner ikke af meget. Og da astronomerne først fik øje på den, opfattede de den ikke som noget særligt.

Men nærmere observationer af SN 2018zd viste, at den opførte sig anderledes end andre supernovaer, og det bragte forskerne på sporet.

Grundstoffer gav beviset

Den teoretiske model for en EI-supernova fortæller, at den er ret svag af en supernova at være, og at den ikke udsender så meget radioaktivt nikkel, som det normalt ses.

Desuden vil den være omgivet af en masse stof, som stjernen kaster af sig umiddelbart før eksplosionen, og dette stof vil rumme mere helium, kulstof og kvælstof, men mindre ilt, end det ses for de større stjerner, der eksploderer som supernovaer.

Astronomerne brugte en række teleskoper til at følge SN 2018zd igennem et par år, og det stod stadig klarere, at der kunne være tale om en EI-supernova, for lysstyrken passede med teorien. Særlige instrumenter på tvillingeteleskopet Keck på Hawaii kunne desuden identificere de grundstoffer, som blev udsendt af supernovaen, og også her passede pengene.

Tvillingeteleskop

Astronomerne fulgte supernovaen SN 2018zd igennem et par år, før de turde konstatere, at det var en helt ny type. De brugte blandt andet det store tvillingeteleskop Keck, der står på toppen af den inaktive vulkan Mauna Kea på Hawaii.

© W. M. Keck Observatory

Det endelige bevis fik forskerne ved hjælp af gamle billeder fra de to rumteleskoper Hubble og Spitzer. Her fandt de den stjerne, der endte med at eksplodere som supernovaen SN 2018zd – og det var præcis en rød superkæmpe af den type, der ifølge teorien vil ende som EI-supernova.

Men måske kom de kinesiske astronomer først, for det har formentlig været en EI-supernova, de så tilbage i 1054. Det passer i hvert fald med lysstyrken og varigheden, som den er beskrevet i gamle kinesiske optegnelser. Dengang foregik eksplosionen i vores egen galakse kun 6500 lysår herfra, og derfor kunne den ses med det blotte øje.

Med opdagelsen af SN 2018zd har astronomerne fået en god forståelse af, hvordan stjerner i mellemklassen dør. Nu vil de fortsætte jagten på EI-supernovaer, så de kan finde ud af, hvor hyppige de er, og hvor stor betydning de har for sammensætningen og spredningen af grundstoffer i universet.