James Webb-teleskopet upptäcker spåren av neutronstjärna i ikonisk supernova
Forskare kan äntligen visa att en neutronstjärna bildades ur vår mest välstuderade supernova, SN 1987A. Genombrottet blev möjligt tack vare James Webb-teleskopet.
Supernovor är det spektakulära slutresultatet då stjärnor med en massa som är åtta till tio gånger större än solens kollapsar. Förutom att supernovorna är de viktigaste källorna till kemiska grundämnen som kol, syre, kisel och järn, som bland annat är förutsättningarna för liv, kan de också skapa de mest extrema objekten i universum: neutronstjärnor och svarta hål.
År 1987 exploderade supernovan 1987A (SN 1987A) i det Stora magellanska molnet, som ligger i närheten av Vintergatan. Det var första gången på fyra århundraden som en supernova blev synlig för blotta ögat, vilket gav astronomerna en aldrig tidigare skådad närbild av en supernovaexplosion. Trots att SN 1987A är ett av de mest studerade objekten på himlen är frågan om vad som blev kvar efter explosionen obesvarad. Blev det en kompakt neutronstjärna eller ett svart hål? Detekteringen av neutriner, som produceras i supernovan, indikerade att en superkompakt neutronstjärna borde ha bildats i mitten av SN 1987A. Men inte ens efter tre och ett halvt decennium av intensiva observationer med de bästa teleskopen har några avgörande bevis för en sådan neutronstjärna hittats, förrän nu.
Signaler från neutronstjärna upptäckta
I en studie publicerad den 22 februari 2024 i tidskriften Science tillkännagav ett internationellt team av astronomer att de hade upptäckt signaler från en neutronstjärna från mitten av nebulosan runt SN 1987A. Med hjälp av James Webb-teleskopet (JWST) kunde artikelförfattarna observera spektrallinjer som antingen hade skapats från den heta neutronstjärnan eller från en så kallad pulsarvindnebulosa runt neutronstjärnan.
– Tack vare den fantastiska upplösningen och de nya instrumenten på JWST har vi för första gången kunnat undersöka supernovans centrum och vad som skapades efter explosionen. Vi vet nu att det finns en kompakt källa för joniserande strålning där, som sannolikt är en neutronstjärna. Detta förutsades av explosionsmodellerna och vi gjorde simuleringar 1992 som indikerade hur man kan observera detta, men det var först med JWST som det blev möjligt. Detaljerna bjöd dock på flera överraskningar, säger Claes Fransson, professor vid Institutionen för astronomi, Stockholms universitet samt Oskar Klein Centre och huvudförfattaren till studien.
– Detta är den senaste i raden av överraskningar som den här supernovan har bjudit på genom åren. Det var oväntat att det kompakta objektet till slut skulle detekteras genom en jättestark argonlinje, så det var lite kul att det var så här det gick till, säger Josefin Larsson, professor vid Fysikinstitutionen, KTH samt Oskar Klein Centre och medförfattare till studien.
-------
Supernova (SN) 1987A – den mest studerade supernovan
SN 1987A är den mest studerade och bäst observerade supernovan av alla och därför av särskild betydelse för att förstå dessa objekt. Supernovan exploderande den 23 februari 1987 i det Stora magellanska molnet på södra himlen på ett avstånd av 160 000 ljusår. Det var den närmaste supernovaexplosionen sedan den supernova som observerades av Johannes Kepler 1604. Under flera månader var det möjligt att se SN 1987A med blotta ögat.
SN 1987A är den enda supernovan som har observerats via sina neutriner (nästan masslösa partiklar med en ytterst svag växelverkan med annan materia). Detta var viktigt eftersom 99,9 procent av den enorma energi som frigjordes i denna händelse förutspåddes gå förlorad i dessa partiklar. De återstående 0,1 procent skickades iväg i form av ljus och rörelseenergi. Av det enorma antalet (cirka 10 upphöjt i 58) neutriner som sänds ut, upptäcktes cirka 20 av tre olika detektorer runt jorden. SN 1987A var också den första supernovan där stjärnan som exploderade kunde identifieras från bilder som hade tagits före explosionen (Fig. 4). Detta gjorde att massan hos stjärnan kunde bestämmas, vilket stämde väl med teoretiska modeller.
Svart hål eller neutronstjärna skapades
Förutom neutrinerna är den mest intressanta konsekvensen av explosionen förutsägelsen att det sker en kollaps till ett svart hål eller en neutronstjärna. Denna kompakta rest skapades av den kollapsade stjärnans kärna, och har en massa på ungefär 1,5 gånger solens. Den resterande massan sköts iväg med upp till 10 procent av ljusets hastighet, vilket bildar den expanderande rest vi kan observera idag.
Astronomerna som studerade SN 1987A misstänkte att en neutronstjärna hade bildats efter explosionen. Den främsta indikationen kom från neutrinopulsens längd på 10 sekunder. Men trots ytterligare indikationer från radio- och röntgenobservationer har inga avgörande bevis för en neutronstjärna hittats förrän nu. En viktig orsak är den stora mängd stoft som bildades åren efter explosionen. Detta stoft kan blockera det mesta av det synliga ljuset från centrum, vilket döljer det kompakta objektet vid synliga våglängder. Att identifiera slutprodukten av explosionen var det huvudsakliga kvarvarande olösta problemet för SN 1987A.
James Webb-teleskopet möjliggjorde genombrott
Rymdteleskopet James Webb kan observera ljus med infraröda våglängder, som lättare kan färdas genom det stoft som blockerar synligt ljus. Ett internationellt team av astronomer studerade SN 1987A med hjälp av två av teleskopets instrument, MIRI* och NIRSpec. De såg då en punktkälla i mitten av den utbredda supernovaresten, som sänder ut ljus från argon- och svaveljoner. Tack vare JWST:s upplösning, och dess instruments förmåga att noggrant bestämma hastigheten hos den emitterande källan, vet vi att denna punktkälla ligger mycket nära supernovaexplosionens centrum.
Medan större delen av den exploderande stjärnans massa expanderar med upp till 10 000 km/sekund och därför har spritts över en stor volym, ligger den observerade källan fortfarande nära explosionsplatsen. Detta är vad astronomerna förväntar sig för den kompakta resten efter explosionen. De observerade spektrallinjerna från argon och svavel kommer från joniserade atomer, vilket kräver energirika fotoner från det kompakta objektet. Hur detta kan ske som ett resultat av den ultravioletta och röntgenstrålningen från en neutronstjärna förutspåddes redan 1992 av Roger Chevalier (University of Virginia) och Claes Fransson.
Två möjliga förklaringar
Forskarna ser inte neutronstjärnan direkt. Istället härleder de dess existens genom att observera hur dess strålning påverkar omgivningen. I sin studie diskuterar författarna två huvudsakliga förklaringar till de observerade spektrallinjerna. De kan ha skapats på grund av strålningen från antingen den heta, nyfödda neutronstjärnan, som har en yttemperatur på mer än en miljon grader, eller från energirika partiklar som accelereras i det starka magnetfältet från den snabbt roterande neutronstjärnan (vilken även kallas för en pulsar). Detta är samma mekanism som äger rum kring den pulsar som finns i mitten av den berömda Krabbnebulosan, som är resten av en supernova som observerades av kinesiska astronomer år 1054.
Båda dessa förklaringsmodeller resulterar i liknande förutsägelser för vilket slags spektrallinjer som skapas. För att särskilja på dessa två modeller krävs därför ytterligare observationer med JWST och markbaserade teleskop i synligt ljus, samt Hubble-teleskopet. Oberoende av detta ger de nya observationerna med JWST övertygande bevis för existensen av ett kompakt objekt, sannolikt en neutronstjärna, i mitten av SN 1987A. Radien på en sådan neutronstjärna är ungefär 10 km, vilket gör att tätheten är lika stor som i en atomkärna. En kubikmillimeter av en sådan stjärnmateria väger ungefär lika mycket som en supertanker!
Sammanfattningsvis ger de nya observationerna med JWST, tillsammans med tidigare observationer av stjärnan som exploderade och neutrinerna som skapades i explosionen, en komplett bild av detta unika objekt.
Teamet bakom dessa resultat består av 34 författare från 12 olika länder i Europa och USA. Försteförfattare är Claes Fransson, professor vid Institutionen för astronomi vid Stockholms universitet och Oskar Klein Centre.
* MIRI är ett instrument som forskare vid Stockholms universitet varit med om att utveckla. Läs mer
Senast uppdaterad: 22 februari 2024
Sidansvarig: Kommunikationsavdelningen