Supernowa: Wybuch 3000 milionów razy jaśniejszy niż Słońce

Gwiazda nie zgasa cicho, gdy detonuje. W swoim szczycie supernowa może wydawać się około 3000 milionów razy jaśniejsza niż Słońce, gdyby oba były umieszczone w tej samej odległości od obserwatora – błysk tak gwałtowny, że można go śledzić z innych galaktyk przez miesiące.

Astronomowie dzielą te eksplozje na dwie szerokie rodziny: niektóre pochodzą z nagłego, niekontrolowanego ponownego zapalenia się spalonego jądra gwiazdy zwanego białym karłem, podczas gdy inne oznaczają ostateczny upadek jądra masywnej gwiazdy. Oba procesy kończyć się w ten sam sposób, w wybuchu, który zasiewa przestrzeń nowymi elementami i często pozostawia dziwny, kompaktny trup.

To, co następuje, nie jest ogólnym schematem, który każdy artykuł powtarza. To zestaw konkretnych, udokumentowanych liczb: jak szybko lecą szczątki, jak daleko zmierzono najsłabsze, i co faktycznie znaleziono ukryte w pozostałościach.

Biały karzel to spalone jądro gwiazdy tak gęste, że tylko ciśnienie elektronów zapobiega jego dalszemu zapadom. Jeśli powoli wchłania gaz z towarzyszącej gwiazdy, jego masa może zbliżyć się do granicy Chandrasekhara, około 1,44 raza masa Słońca – punkt poza którym ciśnienie degeneracji elektronów nie może już trzymać gwiazdy przeciwko jej własnej grawitacji.

Gdy zapalenie się zaczyna, gwiazda nie tylko się zapada; detonuje. Materia zostaje wyrzucona z prędkością 5000 do 20000 kilometrów na sekundę, około 6% prędkości światła. Część tego gruzów nadal się rozszerza przez wieki: podwójne zdegenerowanie, w którym dwa białe karły się łączą zamiast tego, że jeden powoli żyje ze swojej towarzyszki, może wyjaśnić, dlaczego G1.9+0.3, najmłodszy znany pozostałość supernowej w naszej galaktyce, pozostał jaśniejszy i większy przez dziesięciolecia po jego powstaniu.

Supernowe są wystarczająco powszechne, aby profesjonalne i amatorkimi przeglądy nieba znalazły ponad 200 nowych w jednym roku, 2012 – a SN 2012fr, odkryta w październiku, zajęła miejsce wśród najjaśniejszych tego roku.

Ta jasność sprawia, że liczba 3000 milionów to więcej niż abstrakcja: astronomowie mogą bezpośrednio porównać światło explodującej gwiazdy ze Słońcem, w porównywalnej odległości, i uzyskać rzeczywisty stosunek zamiast tylko przybliżonego wrażenia. Obserwowanie, jak jeden obiekt przechodzi z niewidoczności na krótko jaśniejszy niż jego własna galaktyka, jest częścią powodu, dla którego polowania na supernowe wciąż się rozszerzają.

Niektóre supernowe są na tyle stare, że zostały zarejestrowane przez historyków, a nie teleskopy, jednak ich szczątki można wciąż mierzyć z nowoczesną dokładnością. Pozostałość SN 1006 – eksplozja wystarczająco jasna, aby przyciągnąć uwagę na całym średniowiecznym świecie – siedzi około 2,17 (plus lub minus 0,08) kiloparseków od Ziemi, odległość określona poprzez śledzenie powolnego dryfu jego świecących włókien przez dziesięciolecia obrazów.

Ten pomiar odległości pozwala astronomom pracować wstecz do obliczonej szczytowej jasności pierwotnej eksplozji, a wynik wyrównuje się ze środkiem zakresu szacunków jasności zarejestrowanych przez obserwatorów, którzy obserwowali rzeczywiste zdarzenie rozwijające się długo zanim teleskopy istniały.

Nie wszystkie eksplozje białych karłów całkowicie niszczą ich gwiazdę. Astronomowie zidentyfikowali ponad 30 niezwykle słabych "mini-supernom" – eksplozji tak słabych, że biały karzeł w ich centrum mógłby przeżyć zamiast zostać zniszczony.

Jeden z nich, SN 2012Z, siedzi w galaktyce-gospodarzu NGC 1309, około 110 milionów lat świetlnych. Porównanie z równie słabym zdarzeniem, SN 2008ha, pokazuje jak szeroko ta ograniczona klasa może się różnić: SN 2012Z zajmuje miejsce wśród najmocniejszych z tych niedostatecznie zasilanych eksplozji, podczas gdy SN 2008ha zajmuje miejsce wśród najsłabszych. Wzorzec nie był niespodzianką z perspektywy czasu – już w 2009 roku naukowcy zaproponowali, że ten typ zdarzenia pochodzi od białego karła sparowanego z gwiazdą towarzyszą helu, lata przed SN 2012Z dały im szansę bezpośredniego przetestowania tej idei.

Nie wszystkie supernowe są słabe lub blisko. ASASSN-15lh, najjaśniejsza supernowa kiedykolwiek zanotowana, leży około 3,82 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Po raz pierwszy odkryta w czerwcu 2015, osiągnęła szczyt około 570 miliardów razy luminozności Słońca – podwójne obliczenie bolomet wyjścia jakiejkolwiek innej znanej supernowej.

Pojedyncza eksplozja gwiezdna krótko jaśniejsza niż setki miliardów słonc jest przydatnym przypomnieniem, ile energii jest zamknięte wewnątrz zwyczajnie wyglądającej gwiazdy, zanim eksploduje.

SN 1987A pozostaje punktem odniesienia dla pobliskiej supernowej ery nowoczesnej. Astronomowie lokalizują ją około 51,4 kiloparseka od nas – około 168000 lat świetlnych – co czyni ją najbliższą eksplozją gwiezdną, jaką ktokolwiek udokumentował od czasu, gdy Johannes Kepler śledził jedną w 1604 roku, na tyle blisko i na tyle ostatnio, że instrumenty na całej planecie mogły to badać szczegółowo.

Teoria przewidywała, że zapadasze się jądro powinno pozostawić gwiazdę neutronową, ale przez dziesięciolecia nikt nie mógł potwierdzić, że tam faktycznie była. To zmieniło się w 2019 roku, gdy astronomowie używający Atacama Large Millimeter Array zgłosili pośrednie dowody na zapadającą się gwiazdę neutronową w pozostałości. To, co przetrwało eksplozję, ma się przypuszczalnie przypominać typowe gwiazdy neutronowe gdzie indziej: obiekty o promieniu około 10 kilometrów zawierające około 1,4 raza masę Słońca.

Samo słowo "supernowa" ma zaledwie około stulecie. Walter Baade i Fritz Zwicky otrzymują zasługę: para wprowadził ten termin podczas wykładu z astrofizyki w 1931 roku, pożyczył "novę", którą astronomowie już używali do zwiększenia jasności gwiazdy i dodał "super", gdy zdali sobie sprawę, że te zdarzenia były kategorialnie większe.

Jeden z obiektów, które pomogły uczynić tę różnicę oczywistą, siedzi w Mgławicy Kraba – szczątkach supernowej, którą chińscy astronomowie zarejestrowali w roku 1054 n.e.

W jej centrum znajduje się Pulsarz Kraba, gwiazda neutronowa o wielkości zaledwie 28 do 30 kilometrów, która obraca się 30,2 razy na sekundę – kompaktna pozostałość eksplozji wystarczająco jasnej, aby obserwatorzy po drugiej stronie planety zarejestrowali ją bez teleskopu, stulecia zanim Baade i Zwicky nadali zjawisku jego nazwę.

• ESO: The Rise and Fall of a Supernova
• arXiv: The SN 1006 Remnant — Optical Proper Motions, Deep Imaging, Distance, and Brightness at Maximum
• arXiv: Young Remnants of Type Ia Supernovae and Their Progenitors — SNR G1.9+0.3
• ScienceDaily: Hubble Finds Supernova Star System Linked to Potential 'Zombie Star'
• Wikipedia: Supernova
• Wikipedia: Type Ia supernova
• Wikipedia: SN 1987A
• Wikipedia: Neutron star
• Wikipedia: Crab Nebula