Un team internazionale guidato dagli scienziati della UC Santa Barbara all’Osservatorio di Las Cumbres ha scoperto la prima prova convincente di un nuovo tipo di esplosione stellare — una supernova – la supernova Goldilocks * – a cattura di elettroni.
Anche se sono state teorizzate per 40 anni, gli effettivi risultati sono stati elusivi. Si pensa che derivino dalle esplosioni di stelle massicce del ramo gigante super-asintotico (SAGB), per le quali ci sono state anche scarse prove.
La scoperta, pubblicata su Nature Astronomy, getta anche nuova luce sul mistero millenario della supernova del 1054 d.C. che era visibile in tutto il mondo durante il giorno, prima di diventare la Nebulosa del Granchio.
Supernova Goldilocks: ecco cosa sostiene la ricerca
Storicamente, le supernovae si dividono in due tipi principali: termonucleari e a collasso del nucleo di ferro. Una supernova termonucleare è l’esplosione di una stella nana bianca dopo aver accumulato materia in un sistema stellare binario. Queste nane bianche sono i nuclei densi di cenere che rimangono dopo che una stella di bassa massa (una fino a circa 8 volte la massa del sole) raggiunge la fine della sua vita.
Una supernova da collasso del nucleo di ferro, si verifica quando una stella massiccia – una di massa superiore a circa 10 volte quella del sole – esaurisce il combustibile nucleare e il suo nucleo di ferro collassa; creando un buco nero o una stella di neutroni. Tra questi due tipi principali di supernovae ci sono le supernovae a cattura di elettroni. Queste stelle fermano la fusione quando i loro nuclei sono fatti di ossigeno, neon e magnesio; non sono abbastanza massicci per creare ferro.
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Mentre la gravità cerca sempre di schiacciare una stella, ciò che impedisce alla maggior parte delle stelle di collassare è la fusione in corso o, nei nuclei in cui la fusione si è fermata, il fatto che non si possono impacchettare gli atomi più strettamente.
In una supernova a cattura di elettroni, alcuni degli elettroni nel nucleo di ossigeno-neon-magnesio vengono schiacciati nei loro nuclei atomici in un processo chiamato cattura di elettroni. Questa rimozione di elettroni fa sì che il nucleo della stella si pieghi sotto il suo stesso peso e collassi, dando luogo a una supernova a cattura di elettroni.
Se la stella fosse stata leggermente più pesante, gli elementi del nucleo avrebbero potuto fondersi per creare elementi più pesanti, prolungando la sua vita. Quindi è una sorta di situazione Goldilocks al contrario: La stella non è abbastanza leggera da sfuggire al collasso del suo nucleo, né è abbastanza pesante da prolungare la sua vita e morire più tardi con altri sistemi.
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Questa è la teoria che è stata formulata a partire dal 1980 da Ken’ichi Nomoto dell’Università di Tokyo e altri. Nel corso dei decenni, i teorici hanno formulato previsioni su cosa cercare in una supernova a cattura di elettroni e nei loro progenitori di stelle SAGB.
Le stelle dovrebbero avere molta massa, perderne molta prima di esplodere, e questa massa vicino alla stella morente dovrebbe avere una composizione chimica insolita. Quindi la supernova a cattura di elettroni dovrebbe essere debole, avere poche ricadute radioattive e avere elementi ricchi di neutroni nel nucleo.
Il nuovo studio è guidato da Daichi Hiramatsu, uno studente laureato alla UC Santa Barbara e all’Osservatorio di Las Cumbres (LCO). Hiramatsu è un membro centrale del Global Supernova Project, un team mondiale di scienziati che utilizza decine di telescopi intorno e sopra il globo. Il team ha scoperto che la supernova SN 2018zd aveva molte caratteristiche insolite, alcune delle quali sono state viste per la prima volta in una supernova.
Supernova Goldilocks
Ha aiutato il fatto che la supernova era relativamente vicina – solo 31 milioni di anni luce di distanza – nella galassia NGC 2146. Questo ha permesso al team di esaminare immagini d’archivio scattate dal telescopio spaziale Hubble prima dell’esplosione; e di individuare la probabile stella progenitrice prima che esplodesse.
Le osservazioni erano coerenti con un’altra stella SAGB recentemente identificata nella Via Lattea. Ciononostante erano incoerenti con i modelli di supergiganti rosse, i progenitori delle normali supernovae di collasso del nucleo di ferro.
Gli autori hanno esaminato tutti i dati pubblicati sulle supernovae. Hanno scoperto che mentre alcuni avevano qualche indicatore previsto per le supernovae a cattura di elettroni, solo SN 2018zd li aveva tutti e sei; un apparente progenitore SAGB, una forte perdita di massa pre-supernova, una composizione chimica stellare insolita, un’esplosione debole, poca radioattività e un nucleo ricco di neutroni.
Supernova Goldilocks
“Abbiamo iniziato chiedendoci ‘cos’è questo strano tipo?”. Ha dichiarato Hiramatsu. “Poi abbiamo esaminato ogni aspetto della SN 2018zd e ci siamo resi conto che tutti possono essere spiegati nello scenario della cattura di elettroni”.
Le nuove scoperte illuminano anche alcuni misteri della supernova più famosa del passato. Nel 1054 d.C. si verificò una supernova nella Galassia della Via Lattea che, secondo le registrazioni cinesi e giapponesi, era così luminosa che poteva essere vista di giorno per 23 giorni; e di notte per quasi due anni. Il rimanente risultato, ossia la Nebulosa del Granchio, è poi studiato in modo molto dettagliato.
La Nebulosa del Granchio era precedentemente la miglior candidata per una supernova a cattura di elettroni; tuttavia il suo status era incerto in parte, perché l’esplosione è avvenuta quasi mille anni fa. Il nuovo risultato aumenta la fiducia sulla questione che la storica SN 1054 fosse una supernova a cattura di elettroni. Spiega anche perché quella supernova era relativamente luminosa rispetto ai modelli. La sua luminosità è stata probabilmente aumentata artificialmente dall’ejecta della supernova che si è scontrata con materiale lanciato dalla stella progenitrice, come si è visto nella SN 2018zd.
Supernova Goldilocks
Ken Nomoto del Kavli IPMU dell’Università di Tokyo ha espresso entusiasmo per la conferma della sua teoria.
“Sono molto contento che sia stata finalmente scoperta la supernova a cattura di elettroni; che tra l’altro io e i miei colleghi avevamo previsto esistere e avere una connessione con la Nebulosa del Granchio 40 anni fa”. Afferma. “Apprezzo molto i grandi sforzi fatti per ottenere queste osservazioni. Si tratta di un meraviglioso caso di combinazione di osservazioni e teoria”.
Hiramatsu ha aggiunto: “È stato un tale ‘momento Eureka’ per tutti noi che possiamo contribuire a chiudere il cerchio teorico di 40 anni fa, e per me personalmente perché la mia carriera nell’astronomia è iniziata quando ho guardato le splendide immagini dell’Universo nella biblioteca del liceo, una delle quali era l’iconica Nebulosa del Granchio ripresa dal telescopio spaziale Hubble.”
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“Il termine Stele di Rosetta è usato troppo spesso come analogia quando troviamo un nuovo oggetto astrofisico”; ha detto Andrew Howell, uno scienziato dell’Osservatorio di Las Cumbres e docente aggiunto alla UCSB. “Ma in questo caso penso che sia appropriato. Questa supernova ci sta letteralmente aiutando a decodificare record millenari da culture di tutto il mondo”.
“E ci sta aiutando ad associare una cosa che non comprendiamo completamente, la Nebulosa del Granchio, con un’altra cosa di cui abbiamo incredibili registrazioni moderne, questa supernova. Nel processo ci sta insegnando la fisica fondamentale; come si formano alcune stelle di neutroni. Come vivono e muoiono le stelle estreme, e come gli elementi di cui siamo fatti siano creati e sparsi nell’universo“. Howell è anche il leader del Global Supernova Project, e l’autore principale Hiramatsu è il consulente di dottorato.
*Letteralmente “Riccioli d’Oro. Supernova Goldilocks
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