Den supreste av supernovaer

Massive stjerner ser ut til å bli til en helt ny type supernova når de eksploderer. De lager ti ganger så mye lys som ”vanlige” supernovaer.

"Supernovaer er fra før spektakulære hendelser, men nå har forskerne funnet en ny og enormt kraftig type. (Illustrasjon: NASA/Hubbleteleskopet)"
"Supernovaer er fra før spektakulære hendelser, men nå har forskerne funnet en ny og enormt kraftig type. (Illustrasjon: NASA/Hubbleteleskopet)"

Du skulle ikke tro supernovaer kunne bli enda mer spektakulære, men nå ser det ut til at den vanligste typen egentlig er småeksplosjoner, sammenlignet med en nyoppdaget type superstjerneeksplosjon.

Forskere fra California Instiute of Technhology, Caltech, har identifisert fire nye supernovaer i en helt ny klasse. I samme kategori kommer to som er oppdaget tidligere, men som forskerne hittil ikke har klart å klassifisere.

Disse eksplosjonene er omtrent ti ganger mer lysende enn de mer vanlige 1a-supernovaene.

Et slikt lysshow – med tilhørende energiutstråling – kan ikke forklares med standardteoriene vi har i dag for hvordan supernovaer fungerer.

Enorme energibomber

Når stjerner som er mye større enn vår sol dør, eksploderer de og blir til det vi kjenner som supernovaer. Da slynges massen fra stjerna ut i en enorm energiutsprutning, som ofte kan skinne sterkere enn en hel galakse.

– Supernovaer kan grovt deles inn i to hovedtyper: type 1a, som er drevet av fusjon, og kjernekollaps-supernovaer, som er drevet av gravitasjonskollaps. Disse nye supernovaene ser ut til å være av den siste hovedtypen, forteller Eirik Endeve, postdoc ved Oak Ridge National Laboratory i USA. Han er en av svært få nordmenn som forsker på supernovaer.

Fire av supernovaene, før og etter eksplosjonene. (Foto: Caltech/Robert Quimby/Nature)
Fire av supernovaene, før og etter eksplosjonene. (Foto: Caltech/Robert Quimby/Nature)

Gravitasjonskollaps skjer når materie faller sammen inn til ett punkt, fordi de gjensidig trekkes inn av tyngdekraften, og det ikke finnes noen motkrefter som kan hindre kollapsen. En slik kollaps skjer bare i stjerner som er mer enn ti ganger større enn sola.

Selve eksplosjonen startes i stjernas kjerne i løpet av ett sekund, brer seg igjennom stjerna i løpet av noen timer, og river den i filler. I en kjernekollaps-supernova frigjøres ufattelige 10 opphøyd i 46. potens joule med energi.

Det er altså 10 med 46 nuller etter seg. Til sammenligning var atombomben Fat Man, som amerikanerne slapp over Nagasaki under 2. verdenskrig, på 88 terajoule – 88 med 12 nuller etter seg.

Mer og annerledes lys, og ikke noe hydrogen

– Kjernekollaps-supernovaer deles igjen inn i ulike underklasser, basert på hvordan lyset fra dem ser ut. Lyset forteller oss mye om de fysiske forholdene der lyset sendes fra, det vil si stjernas ytre lag, forklarer Endeve.

Ved å analysere spekteret, det vil si bølgelengden til lyset som når oss her på jorda, kan vi som regel si noe om hva supernovaen er laget av, hvor langt unna den er og hva som skjedde da stjerna eksploderte.

Vanligvis kommer energistrålingen fra supernovaer fra nye radioaktive stoffer som dannes i løpet av eksplosjonen, fra varmen i eksplosjonen, eller fra kollisjoner mellom restene av stjerna og omgivelsene.

Men lysspektret fra de seks supernovaene, som beskrives i tidsskriftet Nature, stemmer ikke med noen av disse forklaringene.

De er både mye mer lyssterke, de utstråler lys med kortere bølgelengder enn det som er vanlig, helt opp til usynlig, ultrafiolett lys, og forskerne finner heller ikke spor etter hydrogen i lysspektret, som er et vanlig stoff i de fleste supernovaer.

Passer ikke med teoriene

Per Vidar Barth Lilje (Foto: UiO)
Per Vidar Barth Lilje (Foto: UiO)

– Dette er jo spennende, det virker som det er noe helt nytt, og forskerne har ikke noen god forklaring på hvorfor disse supernovaene oppfører seg som de gjør, sier Per B. Lilje, instituttleder ved Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo.

– Vi identifiserer som regel supernovaer ut ifra hvordan lyset fra dem utvikler seg. For den vanligste typen, 1a-supernovaer, blaffer lyset fra eksplosjonen opp i løpet av et par timer, før det gradvis dør ut i løpet av noen uker eller måneder, forklarer han.

Lyset fra disse nye supernovaene bruker omtrent 50 dager på å bli borte, og det passer ikke inn i noen av de nåværende kategoriene.

– De passer rett og slett ikke inn i det vi kjenner til, sier Lilje.

Også Endeve synes artikkelen er spennende, men han er ikke overrasket over resultatene:

– Det er veldig interessant, og kan kanskje fortelle oss noe om hvordan noen stjerner dør. Men disse supernovaene er av den sjeldne sorten, de utgjør bare cirka én av 10 000 kjernekollaps-supernovaer. Jeg er ikke spesielt overrasket over at man gjør slike nye oppdagelser når data fra nye, sofistikerte teleskoper blir analysert, sier han.

Store stjerner, som i Hollywood

Forskerne, ledet av astronomen Robert Quimby fra Caltech, skriver at stjernene som ble til disse supernovaene må ha vært enorme – et sted mellom 90 og 130 ganger større enn sola vår. Lilje mener det er sannsynlig, gitt mengden energi som må frigjøres for at vi skal kunne se dem såpass tydelig her, flere milliarder lysår unna.

– Dette ser ut til å være enormt store stjerner, og de må ha hatt en ganske heftig avslutning på sine korte liv, tror han.

Store stjerner kan sees på som astronomiens svar på James Dean: de lever intense liv og dør tidlig. Mens det for James Dean bare var snakk om 24 korte år, lever disse stjernene imidlertid noe lenger – kanskje et par millioner år totalt.

– Sammenlignet med andre stjerner er jo det veldig kort. For stjerner er det slik at jo større de er, jo raskere brenner de opp. Vår sol, som er en stjerne av mellomstor størrelse, lever i cirka ti milliarder år, mens de aller minste brenner i tusenvis av milliarder av år før de blir borte, forteller Lilje.

Mulige forklaringer er foreløpig spekulasjoner

Studien foreslår noen teorier for hvordan denne typen supernova blir så lyssterk:

Muligens var for eksempel den originale stjerna så stor at den, før den endelige eksplosjonen, ble ustabil og ristet løs materie, som ble sendt ut i rommet.

Energien fra eksplosjonen traff så den materien, og skapt nye ”minieksplosjoner” i tillegg til den originale eksplosjonen i selve stjerna.

En annen mulig forklaring er at stjerna ikke forsvant fullstendig i eksplosjonen, men heller ble omgjort til en magnetar, en type nøytronstjerne. En magnetar er en stjerne som spinner enormt fort og har et veldig sterkt magnetfelt.

Dette magnetfeltet vil imidlertid bremse ned stjerna etter hvert som det bremses av partiklene i verdensrommet. Det skaper energi, på samme måte som at friksjonen mellom bremseklossen og bilhjulet skaper varme, som er en form for energi.

Endeve synes begge teoriene er både interessante, selv om han mener de er mer spekulasjoner enn teorier på dette tidlige tidspunktet.

– Personlig har jeg mest tro på den første teorien, at observasjonene stammer fra en supernova der eksplosjonen vekselvirker med materie som har blitt avsatt fra stjerna før den eksploderte, sier han.

Ønsker seg kjernekollaps-supernova i Melkeveien

Forskerne regner med at det oppstår én supernova i en galakse som Melkeveien bare omtrent hvert hundrede år. Slike stjerneeksplosjoner er derfor en relativt sjelden begivenhet – selv om vi med moderne teleskoper kan se langt, til mange millioner galakser.

"Noen blir kanskje bekymret over tanken på en supernova i vårt eget nabolag, men astronomene lengter etter nettopp en slik hendelse. (Illustrasjonsbilde: MPIA/NASA/Calar Alto Observatory)"
"Noen blir kanskje bekymret over tanken på en supernova i vårt eget nabolag, men astronomene lengter etter nettopp en slik hendelse. (Illustrasjonsbilde: MPIA/NASA/Calar Alto Observatory)"

Derfor oppdager astronomene nye supernovaer både titt og ofte.

Selve den hellige gral innen supernovaforskning ville være å se en kjernekollaps-supernova i vår egen galakse, forteller Endeve.

– Den optiske signaturen til en kjernekollaps-supernova alene kan ikke gi oss svaret på hvordan en massiv stjerne eksploderer. Jeg mener noe av det mest spennende som skjer innen fagfeltet i dag er muligheten for observasjoner av supernovaer med nøytrino- og gravitasjonsbølgedetektorer i nær fremtid, sier han.

Nøytrinobølger og gravitasjonsbølger er “budbringere” som sendes ut fra eksplosjonssentret når eksplosjonen settes i gang. De vekselvirker veldig svakt med materie, og forplanter seg derfor uhinderet igjennom stjerna og videre til oss.

Nøytrinoer og gravitasjonsbølger kan dermed fortelle oss om forholdene i senteret av stjerna før den eksploderte, ikke bare i ytterdelene.

– Etter mitt syn ville “den hellige gral” være å observere en kjernekollaps-supernova i vår egen galakse, slik kineserne og araberne gjorde i år 1054, men denne gangen med nøytrino- og gravitasjonsbølgedetektorer, i tillegg til optiske instrumenter. Vi klarer kanskje å lage slike detektorer i løpet av ti år, så vi håper på en galaktisk supernova i nær framtid, forteller Endeve.

Kan være ny målestokk

Supernovaer er også interessante for forskerne på grunn av det de potensielt kan brukes til:

– Mekanismen er jo interessant i seg selv, men noen av disse supernovaene har dessuten vist seg å kunne brukes som standardlyskilder, forteller Lilje.

Han forklarer at noen klasser av supernovaer har det til felles at alle lyser omtrent like sterkt. Når vi vet hvor sterkt en supernova lyser i utgangspunktet, kan vi måle avstanden fra oss til supernovaen, ved å beregne hvor gammelt lyset er.

– Det har gitt noen virkelig revolusjonerende resultater. Ved hjelp av slike standardlyskilder fant vi for eksempel ut at avstandene fra oss til de fjerneste galaksene har økt med tiden, og også øker mer etter hvert som tiden går. Det vil si at universet fortsatt utvider seg og akselererer, forteller Lilje.

– Dermed forsøker vi også å finne sterkere standardlyskilder, fordi de vil sette oss i stand til å måle enda lengre avstander og se hva som foregår enda lengre unna.

Seks observasjoner er imidlertid for få til å avgjøre om alle supernovaer av denne typen lyser likt.

– Det er foreløpig for tidlig å si noe om, avslutter Lilje.

Kilder:

R. Quimby m.fl. (2011) Hydrogen-poor superluminous stellar explosions Nature, publisert online 8. juni 2011 (les sammendrag)

NatureNews: Brightest supernovae are in a class of their own

Caltech: Caltech-led Astronomers Find a New Class of Stellar Explosion (pressemelding)

Powered by Labrador CMS