Hoe vormen binaire sterrenstelsels? Astronomen Los eindelijk het mysterie op

Een spectaculaire supernova-explosie, meer dan een miljard keer helderder dan onze zon, markeerde de geboorte van een neutronenster in een baan om zijn hete en dichte metgezel. Nu zijn deze twee dichte overblijfselen voorbestemd om in ongeveer een miljard jaar in elkaar te spatten, uiteindelijk samenvoegend en enkele van de zwaarste bekende elementen in het universum op te leveren.

De explosie vond plaats in een sterrenstelsel vergelijkbaar met onze eigen Melkweg, op bijna 920 miljoen lichtjaar afstand. Een kleine telescoop bij het Palomar-observatorium in Californië ontdekte de eerste fotonen van de supernova - genaamd "iPTF 14gqr" - enkele uren na de explosie, toen deze meer dan 10 keer heter was dan het oppervlak van onze zon. Terwijl de helderheid van de supernova de volgende twee weken evolueerde, gebruikte een internationaal team van astronomen de gegevens om de oorsprong van de explosie te traceren tot een massieve ster met een straal van 500 keer die van de zon.

Maar het was niet alleen de gigantische grootte van de ster die deze ontdekking bijzonder opmerkelijk maakte. Het bijzondere was dat de ster ook de lichtste van alle bekende exploderende gigantische sterren leek te zijn. Deze massieve ster was beroofd van bijna al zijn massa, misschien van een dichte, draaiende partner. Toen het explodeerde, liet het een pasgeboren neutronenster achter die zijn metgezel bleef cirkelen.

Het begrijpen van de vorming van dubbelstersystemen waarin twee super dichte sterren om elkaar heen draaien, is altijd een puzzel geweest. Deze vluchtige supernova's die deze dichte binaire sterrensystemen opleveren zijn beide zeldzaam en moeilijk te vinden, omdat ze snel verschijnen en verdwijnen in de lucht - ongeveer vijf keer sneller dan een typische supernova.

Deze eerste observatie van een "ultrastropen" supernova, die mijn collega's en ik gedetailleerd weergeven in een nieuwe studie, biedt niet alleen inzicht in de vorming van deze systemen, maar onthult ook de laatste fasen in het leven van deze unieke massieve sterren die zijn geplunderd van al hun massa voordat ze sterven.

Een langdurig mysterie oplossen

Sterren die geboren zijn met meer dan acht keer de massa van de zon, raken snel leeg en vallen aan het einde van hun leven bezwijken onder de zwaartekracht - instortend op zichzelf en exploderend in een supernova. Wanneer dit gebeurt, zijn alle buitenste lagen van de ster - een paar keer de massa van de zon - verspreid.

Toen ik begon te werken met mijn adviseur, Mansi Kasliwal, besloot ik als nieuwe afgestudeerde student om supernovae te bestuderen die snel vervagen in helderheid. In de database met door iPTF ontdekte gebeurtenissen kwam ik iPTF 14gqr tegen, een snel verdwijnende supernova die meer dan een jaar eerder werd ontdekt, maar waarvan de ware fysieke aard mysterieus bleef.

De gegevens waren raadselachtig omdat onze voorlopige modellen suggereerden dat deze supernova werd veroorzaakt door de dood van een gigantische massieve ster, maar de explosie zelf was vrij wazig. Het gooide slechts een vijfde van de massa van de zon weg, terwijl zijn energie slechts een tiende was van een typische supernova. Waar was alle ontbrekende materie en energie?

De aanwijzingen gaven aan dat de exploderende ster voor de explosie bijna volledig ontdaan is van zijn oorspronkelijke massa. Maar wat had zoveel materie van deze gigantische ster kunnen hebben gestolen? Misschien een ongeziene binaire metgezel?

Ik begon te lezen over zeldzame binaire sterrenscenario's, toen ik voor het eerst het idee tegenkwam van 'ultra-striped supernovae'.

Ultra-Stripped Supernovae

Wanneer een massieve ster een dichte en nabije binaire metgezel heeft, kan de intense zwaartekracht van de metgezel de nietsvermoedende buur van bijna al zijn massa beroven voordat hij ontploft - vandaar de term 'ultrastripped'.

De ultra-gestripte supernova laat een neutronenster achter, een snel ronddraaiend, dicht stellair lijk dat iets meer bevat dan de massa van de zon gepropt in een gebied ter grootte van het centrum van Los Angeles. Deze neutronenster zit gevangen in een strakke baan rond zijn metgezel. De metgezel is mogelijk een andere neutronenster, of zelfs een witte dwerg of een zwart gat dat is gevormd uit een massieve ster die enkele miljoenen jaren eerder stierf dan zijn metgezel.

Dergelijke binaire systemen zijn al tientallen jaren een belangrijk gebied van astrofysisch onderzoek. We hebben direct veel van dergelijke systemen in onze eigen melkweg waargenomen met optische en radiotelescopen. De eerste indirecte detectie van zwaartekrachtgolven was afkomstig van observaties van een dubbel-neutronenstersysteem. Meer recentelijk werd de eerste samenvoeging van een dubbel-neutronenstersysteem gedetecteerd, zowel door geavanceerde LIGO als in elektromagnetische golven in 2017, waardoor astronomen unieke inzichten kregen in de werking van zwaartekracht en de oorsprong van zware elementen in het universum.

Toch is het lang een raadsel gebleven hoe binaire sterren zich vormen. We weten dat neutronensterren worden gevormd in supernova-explosies. Maar om binaire neutronensterren te krijgen, heb je een tweetal van twee zware sterren nodig om te beginnen. Het vereist echter een nauwkeurig evenwicht van krachten om ervoor te zorgen dat de binaire neutronensterren stabiel genoeg blijven om de twee gewelddadige explosies te overleven die het systeem creëren.

Verschillende lijnen van indirect bewijs suggereren dat ze worden gevormd in een zeer zeldzame klasse van zwakke ultra-gestripte supernova-explosies. Maar deze vage explosies waren tot nu toe ontsnapt aan directe detectie. Dit eerste observationele bewijs voor een superstropende supernova opent de mogelijkheid om de vorming van strakke binaire neutronensterrenstelsels te begrijpen.

Scanning the Heavens for Infant Explosions

Onze supernova werd gezien tijdens de tussentijdse Palomar Transient Factory (iPTF) -enquête. De geautomatiseerde iPTF-enquête gebruikte een grote camera die op een 1 meter lange telescoop was gemonteerd om elke nacht foto's van de lucht te maken en te scannen op 'nieuwe sterren'. Een zoekprioriteit was het jagen op baby-supernova's en het lokaliseren van de oorsprong.

Wanneer een nieuwe ster wordt gevonden, waarschuwt de enquête-robot at-duty astronomen onmiddellijk in een compleet andere tijdzone om te volgen. Deze strategie, samen met een wereldwijd netwerk van telescopen, stelde ons in staat om verschillende exploderende sterren in actie te vangen en te begrijpen hoe ze eruit zagen vlak voordat ze explodeerden. In feite was het vinden van een zeldzame ultra-uitgeklede supernova momenten na de explosie een gelukkig toeval!

Deze enkele gebeurtenis heeft ons het eerste inzicht gegeven in de massa en energie die vrijkomt bij dergelijke explosies, de levenscyclus van massieve sterren en de vorming van dubbelsterren. Toch is er nog veel meer te leren van een grotere steekproef van deze evenementen.

Met de Zwicky Transient Facilty - de opvolger van iPTF die tien keer sneller de lucht kan scannen - en een wereldwijd netwerk van telescopen met de naam GROEI, hopen we getuige te zijn van meer ultragestripte explosies, een nieuwe aflevering te beginnen in ons begrip van deze unieke sterrenstelsels.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation door Kishalay De. Lees hier het originele artikel.