Die seltsame Geschichte der kalziumreichen Supernovae

Als die SN 2005E explodierte, sorgte sie für Aufsehen - und das nicht nur, weil sie ausgeworfen wurde.

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

Hin und wieder gibt uns die Natur etwas Spektakuläres. 2005 erreichte das Licht eines explodierenden Sterns in der einsamen Galaxie NGC 1032 die Erde, und Astronomen des Lick Observatory katalogisierten das Ereignis als SN 2005E (Perets et al. 2010). Nach einer Reihe von Beobachtungen 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 am äußersten Rand von NGC 1032 auftrat und SN 2005E plötzlich ein interessantes 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 ihres Auswurfs aus Kalzium und nicht aus Wasserstoff oder Helium. Sie kommen entweder weit vom Zentrum einer Galaxie oder im intergalaktischen Raum vor, irgendwo in der Mitte eines Galaxienhaufens und weit entfernt von einer einzelnen Galaxie. 14 Jahre später wird unser Bild von diesen Ereignissen langsam deutlicher, aber die genauen Mechanismen dahinter bleiben unbekannt.

Der Blogbeitrag dieser Woche behandelt 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 ein KAIT-Bild davon, wobei SN 2005E deutlich sichtbar ist.

Viele Bilder von Supernovae zeigen Galaxien von Angesicht zu Angesicht, wobei die Explosion irgendwo einen hellen Lichtpunkt einstreut. Wir können jedoch keine Fotos von SN 2005E erhalten, die in etwa so aussehen, da NGC 1032 uns randständig erscheint und nur eine Seitenansicht zeigt. In den ersten Bildern des Lick Observatory, die mit dem Katzman Automatic Imaging Telescope (KAIT) aufgenommen wurden, 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 der Sloan Digital Sky Survey (SDSS) hatten, die nur eine leere Stelle zeigten, an der die Supernova auftrat, könnte dies für einen Feldstern oder eine separate Hintergrundgalaxie gehalten werden.

Nachfolgende Beobachtungen und Spektroskopie bestätigten jedoch, dass SN 2005E eine Supernova war. Die Spektren zeigten keine Wasserstofflinien, was eine Typ-II-Supernova ausschloss, aber es fehlten auch die Siliziummerkmale einer Typ-Ia-Supernova, was das Team anfangs veranlasste, sie als Typ-Ib-Supernova mit einem massiven Stern zu klassifizieren, dessen Wasserstoff entfernt 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 dafür verantwortlich sein konnte. Außerdem gab es nirgendwo in der Nähe eine Sternentstehung.

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

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

Fig. S3, Perets et al. SN 2005E wies auch besondere Mengen an Stickstoff in seinen Ejekta auf - Mengen ähnlich denen, die durch Typ-II-Kernkollaps-Supernovae erzeugt wurden, aber Fraktionen ähnlich denen von 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 schwachen.

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 aus der inneren Region der Galaxie ausgestoßen worden war, nachdem er auf ein supermassives Schwarzes Loch (SMBH) oder eine SMBH-Binärdatei gestoßen war. Die Geschwindigkeiten, die erforderlich waren, um einen massereichen Stern so weit vom Zentrum entfernt vor seiner Explosion anzutreiben, lagen zwischen 300 km / s und 1600 km / s - nicht unangemessen. Die Geschwindigkeit, mit der solche Begegnungen mit massereicheren Sternen stattfinden, macht es jedoch unwahrscheinlich, dass dieses Ereignis vom Teleskop wahrgenommen wird, und zusammen mit den Beobachtungen blieb es unwahrscheinlich, dass der Vorläufer ein einzelner massereicher Stern war, sondern ein binäres System der Weißen Zwerge , ebenfalls aus dem Zentrum der Galaxie ausgestoßen.

Sind kalziumreiche Supernovae wirklich allein?

SN 2005E blieb nicht die einzige bekannte kalziumreiche Supernova. Das gleiche Team, das es entdeckte, fand auch eine Reihe früherer Supernovae in Archivdaten, die viele der gleichen Eigenschaften aufwiesen, und andere Gruppen waren in der Lage, neue zu entdecken und frühere Supernovae genauer zu untersuchen. Zu diesem Zeitpunkt stellte sich heraus, dass alle Objekte einige Eigenschaften gemeinsam hatten: Sie wiesen massenarme Ejekta auf, von denen ein großer Teil aus Kalzium bestand, 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 von einer nahe gelegenen Galaxie auf. Der zweite und dritte Frame sind der Einschub, den Hubble durch verschiedene Filter sieht und der andere interessante Ziele anzeigt.

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 Kugelhaufen oder sogar in einer Zwerggalaxie mit geringer Oberflächenhelligkeit befand? Nein, sagten Lyman et al. 2016, soweit Hubble das beurteilen konnte. Das Team fand ähnliche Ergebnisse für eine Reihe von kalziumreichen Supernovae, was die Vorstellung bestätigt, dass diese Supernovae tatsächlich weit vom Kern einer Galaxie entfernt vorkommen.

Auffällig war auch, dass einige dieser Supernovae eindeutig im Raum zwischen den Galaxien vorkamen - nicht nur in ihren äußeren Ausläufern. Tatsächlich wurde es bei der Untersuchung einiger kalziumreicher Supernovae wie PTF12bho und PTF11kmb zu einer Herausforderung festzustellen, woher sie stammen (siehe Lunnan et al. 2017). Zum Beispiel ist diese Galaxie, während die letztere atemberaubende 150 kpc von NGC 7265 entfernt ist, nach wie vor 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.

Mit einer größeren Stichprobe kalziumreicher Supernovae haben Astronomen festgestellt, dass sie alle eine Reihe von Faktoren gemeinsam haben, darunter mittlere Leuchtstärken 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 noch nicht viele. Hoffentlich wächst diese Zahl mit ein bisschen Glück.