Ny type supernova løser førti år gammel gåte

I dag mener astronomene at de to observasjonene fra 1054 og 2018 har noe til felles. I begge tilfeller har astronomene fått øye på en supernova – en eksploderende stjerne – av en spesiell og sjelden type som kalles en elektroninnfangingssupernova (EI-supernova).

Med oppdagelsen kan forskerne dessuten forklare hva som skjer med stjerner som er mye større og tyngre enn solen, men som tross alt ikke hører til i den absolutte superligaen blant stjernene.

Skjebnen for de mellomstore stjernene – som veier mellom åtte og ti ganger så mye som solen – har vært omdiskutert blant astronomene.

Teorien er førti år gammel

Det er mer enn førti år siden astronomen Ken’ichi Nomoto ved universitetet i Tokyo forutsa EI-supernovaer. Siden den gang har astronomene lett etter supernovaer som kunne passe med den teoretiske beskrivelsen, men først med den nyoppdagede supernovaen SN 2018zd ble det gevinst.

Observasjoner gjennom et par år med flere teleskoper har nå endelig overbevist dem om at SN 2018zd må være en EI-supernova.

Dermed viser det seg at de mellomstore stjernene ender sine dager på dramatisk vis. Når de går tom for drivstoff, eksploderer de som supernovaer og etterlater seg nøytronstjerner – ekstremt kompakte himmellegemer som nesten utelukkende består av nøytroner.

Supernovaer er universets kraftigste eksplosjoner. En enkelt supernova kan lyse like sterkt som milliarder av vanlige stjerner samtidig med at den sender rester av tunge grunnstoffer ut i universet. Her kan de senere inngå i dannelsen av nye stjerner med tilhørende planeter – som i vårt eget solsystem.

Uten supernovaeksplosjoner ville solsystemet mangle mange av de grunnstoffene som er nødvendige for å danne planeter og liv. Derfor er det viktig for astronomene å forstå supernovaer skikkelig – og det vekker naturlig nok oppsikt når en helt ny type supernova dukker opp.

Den grunnleggende mekanismen bak alle supernovaer er at det indre trykket som finnes i en stjerne, blir for svakt til å stå imot tyngdekraften som virker i motsatt retning.

Stjernen kan bare opprettholde sitt indre trykk så lenge den har drivstoff til å holde gang i fusjonsprosessen.

Når det ikke er flere atomkjerner som kan fusjonere, får tyngdekraften overtaket. Stjernens kjerne faller sammen, og resultatet er en supernovaeksplosjon.

De ytre delene av stjernen faller først ned mot sentrum og blåses deretter ut i verdensrommet, mens kjernen forvandles til et ultrakompakt objekt – en nøytronstjerne eller et svart hull.

Døde stjerner kan eksplodere

Hittil har astronomene kjent til prosessen som ligger bak to typer supernovaer. Den ene typen oppstår når veldig tunge stjerner dør, mens den andre er resultatet av en prosess der en lettere, men allerede død stjerne – en såkalt hvit dverg – får mulighet til å suge til seg nytt stoff.

Det kan enten være fra en partnerstjerne den går i bane rundt, eller en annen hvit dverg den støter sammen med.

Med observasjonene av SN 2018zd har astronomene forklaringen på hvordan også stjerner i middelklassen kan ende som supernovaer.

I de mellomstore stjernene er det kamp til siste slutt mellom tyngdekraften og trykket fra atomene i stjernens indre når stjernen holder på å brenne ut. I utgangspunktet er ikke tyngdekraften sterk nok til å få stjernen til å kollapse fullstendig, men Ken’ichi Nomoto regnet ut at det kan skje likevel.

Trykket mot kjernen blir nemlig så stort at atomenes elektroner presses inn i atomkjernene, og uten elektronenes hjelp kan ikke kjernen i stjernen holde stand.

Situasjonen svarer til å presse luft sammen i en sykkelpumpe som er tett. Når du legger press på stemplet, kjenner du at molekylene i luften gjør motstand. Jo hardere du presser, desto større blir motstanden.

Men hvis en stor del av molekylene plutselig forsvant – som elektronene forsvinner i sentrum av en døende mellomstor stjerne – ville motstanden forsvinne slik at du lett kunne presse stemplet i bunn.

På en tilsvarende måte får tyngdekraften fritt spillerom når elektronene i sentrum av stjernen plutselig forsvinner. Resultatet er en kollaps som er voldsom nok til å utløse en supernova – som den astronomene nå har observert.

Den nye EI-supernovaen befinner seg i galaksen NGC 2146, hele 31 millioner lysår fra jorden, så den er vanskelig å få øye på. Og da astronomene først fikk øye på den, virket den ikke så spesiell.

Men nærmere observasjoner av SN 2018zd viste at den oppførte seg annerledes enn andre supernovaer, og det satte forskerne på sporet.

Grunnstoffer ga beviset

Den teoretiske modellen for en EI-supernova sier at den er ganske svak til supernova å være, og at den ikke sender ut så mye radioaktivt nikkel som mange andre.

Dessuten vil den være omgitt av en stor mengde materie som stjernen sender ut rett før eksplosjonen, og dette vil inneholde mer helium, karbon og nitrogen, men mindre oksygen enn i de større stjernene som eksploderer som supernovaer.

Astronomene brukte en rekke teleskoper til å følge SN 2018zd gjennom et par år, og det ble etter hvert tydelig at det kunne være snakk om en EI-supernova, for lysstyrken passet med teorien. Spesielle instrumenter på tvillingteleskopet Keck på Hawaii kunne dessuten identifisere de grunnstoffene som ble sendt ut av supernovaen, og også her var det klaff.

Det endelige beviset fikk forskerne ved hjelp av gamle bilder fra de to romteleskopene Hubble og Spitzer. Her fant de den stjernen som endte med å eksplodere som supernovaen SN 2018zd – og det var en rød superkjempe av akkurat den typen som ifølge teorien vil ende som EI-supernova.

Men kanskje kom de kinesiske astronomene først, for det var antagelig en EI-supernova de så i 1054. Det stemmer i hvert fall med lysstyrken og varigheten som er beskrevet i gamle kinesiske opptegnelser. Den gangen foregikk eksplosjonen i vår egen galakse, bare 6500 lysår unna, og derfor kunne den ses med det blotte øye.

Med oppdagelsen av SN 2018zd har astronomene fått en god forståelse av hvordan mellomstore stjerner dør. Nå vil de fortsette jakten på EI-supernovaer så de kan finne ut hvor vanlige de er, og hvor stor betydning de har for sammensetningen og spredningen av grunnstoffer i universet.