Die seltsame Geschichte von kalziumreichen Supernovae

Als SN 2005E explodierte, sorgte es für Furore - und das nicht nur wegen dem, was es ausgeworfen hat.

Eine der einzigartigen Eigenschaften der Astronomie ist, dass die meisten Objekte, an denen wir interessiert sind, nicht in einem Labor untersucht werden können. Im Wesentlichen ist das gesamte beobachtbare Universum unser Labor, und wir Menschen können uns nur umschauen. Nehmen Sie zum Beispiel Supernovae. Glücklicherweise gibt es hier auf der Erde keine Möglichkeit, eine zu schaffen. Astronomen müssen also den Himmel überblicken, beobachten und darauf warten, dass etwas Außergewöhnliches passiert.

Hin und wieder gibt uns die Natur etwas Spektakuläres. Im Jahr 2005 erreichte das Licht eines explodierenden Sterns in der einsamen Galaxie NGC 1032 die Erde, und Astronomen am Lick Observatory katalogisierten das Ereignis als SN 2005E (Perets et al. 2010). Nach einer Reihe von Nachbeobachtungen stellten sie fest, was das wirklich außergewöhnliche Stück der Supernova war: Ein Großteil der durch die Explosion ausgestoßenen Materie war unerklärlicherweise Kalzium. Hinzu kommt, dass die Supernova im äußersten Bereich von NGC 1032 auftrat und SN 2005E plötzlich zu einem interessierenden Ziel wurde.

NGC 1032, gesehen durch das Schulman-Teleskop am Mount Lemmon Observatory im Jahr 2011. SN 2005E ist nicht sichtbar, da das Bild sechs Jahre später aufgenommen wurde. Bildnachweis: Adam Block, Mount Lemmon SkyCenter, Universität von Arizona, unter der Creative Commons Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 USA-Lizenz

Die Supernova wurde schließlich zum Prototyp einer Klasse von Objekten, die als kalziumreiche Supernovae bekannt sind. Wie der Name schon sagt, besteht etwa die Hälfte ihrer Ejekta aus Kalzium und nicht aus Wasserstoff oder Helium. Sie treten entweder weit vom Zentrum einer Galaxie oder im intergalaktischen Raum auf, irgendwo in der Mitte eines Galaxienhaufens und weit entfernt von einer einzelnen Galaxie. 14 Jahre später rückt unser Bild dieser Ereignisse langsam in den Fokus, aber die genauen Mechanismen dahinter sind unbekannt.

Der Blog-Beitrag dieser Woche spricht über den seltsamen Fall von SN 2005E, weitere kalziumreiche Supernova-Entdeckungen und die unwahrscheinliche Abfolge von Ereignissen, die wir für erforderlich halten, um eines zu produzieren. Selten, dunkel und mysteriös bieten sie ein neues Fenster in das, was zur Anreicherung von interstellarem Gas und Staub beiträgt.

50% Kalzium, 100% einzigartig

Fig. 1, Perets et al. (a) zeigt ein SDSS-Bild von NGC 1032 vor der Supernova; (b) zeigt anschließend ein KAIT-Bild davon, wobei SN 2005E deutlich sichtbar ist.

Viele Bilder von Supernovae zeigen Galaxien von Angesicht zu Angesicht, wobei bei der Explosion irgendwo ein heller Lichtpunkt eingestreut wurde. Wir können jedoch keine Fotos von SN 2005E erhalten, die ungefähr so ​​aussehen, da NGC 1032 für uns nur eine Seitenansicht darstellt. In den ersten Bildern des Lick Observatory - aufgenommen mit dem Katzman Automatic Imaging Telescope (KAIT) - erscheint die Supernova nur als Punkt relativ weit von der Wirtsgalaxie entfernt, 22,9 kpc radial vom Zentrum und überraschend 11,3 kpc über der Scheibe. Wenn wir keine früheren Bilder von NGC 1032 aus dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS) hätten, die nur eine leere Stelle zeigen, an der die Supernova erschien, könnte dies für einen Feldstern oder eine separate Hintergrundgalaxie gehalten werden.

Follow-up-Beobachtungen und Spektroskopie bestätigten jedoch, dass SN 2005E eine Supernova war. Die Spektren zeigten keine Wasserstofflinien, was eine Supernova vom Typ II ausschloss, aber es fehlten auch die Siliziummerkmale einer Supernova vom Typ Ia, was das Team zunächst veranlasste, sie als Supernova vom Typ Ib mit einem massiven Stern zu klassifizieren, dem der Wasserstoff entzogen worden war Umschlag als Vorläufer. Die Spektren zeigten jedoch auch, dass nur etwa 0,3 Sonnenmassen ausgestoßen worden waren, was darauf hindeutete, dass ein massereicher Stern nicht verantwortlich sein konnte. Außerdem gab es in der Nähe keine Sternentstehung.

Fig. 2, Perets et al. Die starken Kalziumlinien sind in diesen Spektren von SN 2005E deutlich, was darauf hinweist, dass etwa 0,135 Sonnenmassen Kalzium ausgestoßen wurden.

Dies stellte ein Rätsel dar. Die Masse der Ejekta war auch für eine normale Supernova vom Typ Ia zu gering. Weitere Untersuchungen zeigten bemerkenswert starke Kalziumlinien, was bedeutet, dass 40–50% der Ejekta nach Masse aus Kalzium bestanden. Dies war noch nie zuvor beobachtet worden, obwohl einige Modelle von Weiß-Zwerg-Weiß-Zwerg-Systemen vorausgesagt hatten, dass dies durch eine Detonation von gespendetem Helium auf der Oberfläche einer der Komponenten geschehen könnte, wobei doppelt weiße Zwerg-Vorläufer erforderlich sind, um die extrem niedrige Leuchtkraft zu erklären von SN 2005E, sogar im Vergleich zu Typ Ia-Supernovae schwach.

Fig. S3, Perets et al. SN 2005E zeigte auch besondere Mengen an Stickstoff in seinen Ejekta - Mengen ähnlich denen, die durch Typ-II-Kernkollaps-Supernovae erzeugt wurden, aber Fraktionen ähnlich wie Typ-Ib-Supernovae. Zusätzlich war die ausgestoßene Gesamtmasse für jede Klasse kleiner als normal - näher an der für Supernovae vom Typ Ia erwarteten, aber bemerkenswert schwach.

Eine Frage blieb offen: Wie ist SN 2005E bisher von NGC 1032 abgewichen? Die wahrscheinlichste Erklärung war, dass der Vorläufer ein Hypervelocity-Stern war, der ursprünglich nach einer Begegnung mit einem supermassiven Schwarzen Loch (SMBH) oder einer SMBH-Binärdatei aus dem inneren Bereich der Galaxie ausgestoßen worden war. Die Geschwindigkeiten, die erforderlich waren, um einen massiven Stern so weit vom Zentrum weg zu treiben, bevor er explodierte, lagen zwischen 300 km / s und 1600 km / s - nicht unangemessen. Die Geschwindigkeit, mit der solche Begegnungen für Sterne mit hoher Masse stattfinden, macht es jedoch unwahrscheinlich, dass dieses Ereignis vom Teleskop gesehen wird, und zusammen mit den Beobachtungen blieb es unwahrscheinlich, dass der Vorläufer ein einzelner massereicher Stern war, sondern ein binäres System eines weißen Zwergs , ebenfalls aus dem Zentrum der Galaxie ausgeworfen.

Sind kalziumreiche Supernovae wirklich allein?

SN 2005E blieb nicht die einzige bekannte calciumreiche Supernova. Das gleiche Team, das es entdeckte, fand auch eine Reihe früherer Supernovae in Archivdaten, die viele der gleichen Eigenschaften hatten, und andere Gruppen konnten neue erkennen und frühere Supernovae genauer untersuchen. Zu diesem Zeitpunkt wurde klar, dass alle Objekte einige Eigenschaften gemeinsam hatten: Sie hatten massenarme Ejekta, von denen ein großer Teil Kalzium war, und sie lagen weit entfernt von den Zentren der Galaxien und erstreckten sich über Entfernungen von vielen zehn von Kiloparsecs.

Fig. 3, Lyman et al. SN 2007ke trat auch weit entfernt von einer nahe gelegenen Galaxie auf. Der zweite und dritte Frame sind der Einschub, den Hubble durch verschiedene Filter sieht und der andere interessierende Ziele zeigt.

Die Tatsache, dass die Supernovae anscheinend in großen Abständen stattfanden, motivierte die Suche nach schwachen Wirtsgalaxien. War es zum Beispiel möglich, dass sich SN 2003dr, versetzt von der Scheibe von NGC 5714, tatsächlich in einem schwachen Kugelsternhaufen oder sogar in einer Zwerggalaxie mit geringer Oberflächenhelligkeit befand? Nein, sagten Lyman et al. 2016, soweit Hubble sehen konnte. Das Team fand ähnliche Ergebnisse für eine Reihe von kalziumreichen Supernovae, was die Idee bestätigt, dass diese Supernovae tatsächlich weit entfernt vom Kern einer Galaxie vorkommen.

Auffällig war auch, dass einige dieser Supernovae eindeutig im Raum zwischen den Galaxien vorkamen - nicht nur in ihren äußeren Bereichen. Bei der Untersuchung einiger kalziumreicher Supernovae wie PTF12bho und PTF11kmb wurde es tatsächlich zu einer Herausforderung, festzustellen, woher sie stammten (siehe Lunnan et al. 2017). Während letztere beispielsweise erstaunliche 150 kpc von NGC 7265 entfernt ist, bleibt diese Galaxie die wahrscheinlichste Quelle des Vorfahren, da andere Kandidaten Rotverschiebungen aufweisen, die sie weiter vom Galaxienhaufen entfernt platzieren.

Fig. 10, Lunnan et al. PFT12bho in zwei verschiedenen SDSS-Sichtfeldern seiner Heimat, dem Coma Cluster.

Bei einer größeren Stichprobe von kalziumreichen Supernovae haben Astronomen festgestellt, dass sie alle eine Reihe von Faktoren gemeinsam haben, darunter mittlere Leuchtdichten und sich schnell ändernde Lichtkurven im Vergleich zu normalen Supernovae. Dies hat es einfacher gemacht, neue Kandidaten unter bisher bekannten Supernovae zu identifizieren, aber wir kennen immer noch nicht viele. Hoffentlich wächst diese Zahl mit etwas Glück.