12.01.22: Når kjernen til en masserik stjerne kollapser og forårsaker at stjernen eksploderer som en supernova, merkes dette fra utsiden først i det sjokkbølgen når frem til overflaten. Dette er et virkelig spektakulært og kortvarig fenomen som bare har blitt observert to eller tre ganger.
Supernovaer og hypernovaer – en oversikt
av Knut Jørgen Røed Ødegaard
Animasjon som viser hva som skjer når sjokkbølgen når overflaten av en rød superkjempe som har 500 ganger Solens radius og 20 000 ganger Solens lysstyrke. Sjokkbølgen når først overflaten som en rekke fingerlignende jetstråler av plasma, men 20 minutter senere når sjokkbølgens ut med full styrke og blåser stjernen i filler slik at det blir en supernova-eksplosjon. Animasjonen er basert på observasjoner gjort med NASAs Kepler-teleskop av stjernen KSN 2011d som befinner seg 1,2 milliarder lysår unna.
Animasjon: NASA Ames, STScI/G. Bacon
Under kjernekollapsen er temperatur og tetthet i kjernen virkelig ekstreme, og enorme mengder med nøytrinoer dannes i løpet av få sekunder. Siden disse bortimot masseløse partiklene knapt vekselvirker med materie forsvinner de med lysets hastighet nesten uhindret ut av stjernen og kan dermed observeres fra Jorden med følsomme nøytrinoobservatorier. Dette skjedde i februar 1987 da SN 1987 A eksploderte i Melkeveiens satellittgalakse Den store magellanske sky 168 000 lysår unna.
Den ekstremt energirike sjokkbølgen fra eksplosjonen i kjernen farer utover med enorm fart, men bruker likevel mye lengre tid på å nå overflaten av stjernen. Når den kommer ut til dit merker vi de første endringene i synlig lys og annen elektromagnetisk stråling. Temperaturen i overflatelagene stiger brått til 100 000 grader eller mer (gjerne over 500 000 grader), og stjernen begynner å sende ut UV- og røntgenstråling. Fordi lyset beveger seg med 300 000 km/s når det oss til litt ulik tid fra de ulike delene av stjernen.
For de største røde superkjempene vil denne fasen vare rundt en time, for langt mer kompakte Wolf-Rayet-stjerner er det typisk snakk om 10–20 sekunder.
I tilfellet med de langt mer kompakte kildene til type Ia-supernovaer, hvite dverger, oppstår så høye temperaturer at det sendes ut gammastråler. Svært kortvarige, men intense blink av gammastråling kan bli mulig å observere med fremtidige instrumenter som overvåker store deler av himmelen.
«Umulige» observasjoner
Fordi denne fasen med sjokkutbrudd er ekstremt kortvarig og ikke har brukbare forvarsler (nøytrino-observasjoner kunne fungert, men er generelt for trege), er sannsynligheten for tilfeldigvis å observere den svært liten – nesten en umulighet. Likevel tror man at to eller tre slike hendelser har blitt registrert:
Type Ib SN 2008D i spiralgalaksen NGC 2770 som er befinner seg 77 millioner lysår fra oss i stjernebildet Lynx (Gaupen). Røntgenstrålingen som ble observert varte i rundt 60 sekunder og kan ha kommet fra utbruddet av sjokkbølgen. Fenomenet forårsaket røntgenflashet XRT 080109. Som betegnelsen antyder, fant fenomenet sted 9. januar 2008.
KSN 2011d, funnet med NASA-observatoriet Kepler, befinner seg 1,2 milliarder lysår fra oss. Stjernen som eksploderte hadde 500 ganger større diameter enn Solen. Observatoriets hovedoppgave var å søke etter exoplaneter, men en internasjonal forskergruppe analyserte lyset fanget inn av Kepler hvert 30. minutt over en periode på tre år fra 500 fjerne galakser med til sammen rundt 50 billioner stjerner.
I 2011 eksploderte to masserike røde superkjemper som såkalte type II supernovaer i disse overvåkede galaksene. Den første, KSN 2011a, var nærmere 300 ganger større i diameter enn Solen og 700 millioner lysår unna oss, mens den andre, KSN 2011d, var omtrent 500 ganger større i diameter enn Solen og 1,2 milliarder lysår fra unna. Begge supernovaene oppførte seg generelt som forskerne forventer av denne type stjerne-eksplosjoner, men kun på den største stjernen (KSN 2011d) ble selve sjokkutbruddet observert. En mulighet er at den minste av stjernene var omgitt av gass som skjulte strålingen fra utbruddet.
Utviklingen av lysstyrken til KSN 2011d. Lysstyrken er sammenlignet med Solens og er først svakt variabel inntil den plutselig øker kraftig når sjokkfronten når stjernens overflate. I denne 20 minutter lange fasen er lysstyrken opptil 130 millioner ganger større enn Solens. Etter sjokkfasen, fortsetter gassen fra den stjernen å ekspandere med den følge at lysstyrken igjen øker og etter 14 dager når et maksimum som er rundt en milliard ganger Solens.
Illustrasjon: NASA Ames/W. Stenzel
Under testing av et nytt 16 tommers teleskop 20. september 2016 klarte den argentinske amatørastronomen Victor Buso å fange inne sjokkutbruddet til type IIb-supernovaen 2016gkg i stavspiralgalaksen NGC 613, rundt 67 millioner lysår fra Jorden i stjernebildet Sculptor (Billedhuggeren). Hendelsen ble av supernovaforskere betraktet som en 1 til 100 millioners-hendelse – altså noe vi normalt ikke skulle kunne få oppleve!
De røde strekene viser posisjonen til supernova SN 2016gkg i stavspiralgalaksen NGC 613.
Foto: Image by C. Kilpatrick, UC Santa Cruz, and Carnegie Institution for Science, Las Campanas Observatory, Chile
Bilder tatt av Victor Buso over en periode på en time viser hvordan supernovaen plutselig dukker og at lysstyrken øker raskt.
Foto: Víctor Buso via UC Berkeley
Victor Buso tok en lang rekke 20-sekunderseksponeringer, og heldigvis undersøkte han straks bildene han hadde tatt, og nær enden av en spiralarm la han merke til et svakt lysende punkt som ikke var synlig på det første settet med bilder, men som på de neste bildene økte raskt i lysstyrke.
Profesjonelle supernova-forskere var naturlig nok svært begeistret over denne oppdagelsen og fulgte tett opp med observasjoner med store og profesjonelle observatorier (bl.a. Lick og Keck) de neste to månedene. Det ser ut til at stjernen som eksploderte opprinnelig hadde rundt 20 ganger Solens masse, men hadde mistet de ytre, hydrogenrike lagene og kun hadde ca. 5 solmasser da den eksploderte. Trolig var stjernen en del av et tett dobbeltstjernesystem og mistet masse til sin ledsagerstjerne.
Observasjoner av at supersoniske sjokk når stjerneoverflaten er gir oss uvurderlig kunnskap om noen av naturens mest spektakulære fenomen, men de er uhyre sjeldne! Denne typen observasjoner er den eneste måten vi har for å finne ut mer om stjerneeksplosjoner og hvordan dette skjer, om størrelsen og den kjemiske sammensetningen til stjernen og hvor mye masse den mistet før den ble supernova.
Energien som frigjøres ved sjokkutbrudd er minst 10 000 ganger større for type II (kjernekollaps) enn for supernovaer av type Ia (eksploderende hvite dverger). I førstnevnte tilfelle frigjøres mer enn 1039 joule. Solen bruker omtrent 80 000 år på å sende ut like mye energi, mens sjokkbølgen klarer det på fra noen minutter til en time.
Sjokkutbruddet varer like lenge som lyskryssingstiden (dersom symmetrisk eksplosjon) – omtrent en time for en utstrakt rød superkjempe og ned mot noen titalls sekunder for stjerner som er mer kompakte fordi de har mistet sine ytre lag. I tilfellet med hvite dverger (type Ia) er varigheten noen få hundredels sekunder, men dette har aldri blitt observert.
Dersom eksplosjonen er asymmetrisk, slik som ofte er tilfelle i hypernovaer som forårsaker gammaglimt, er varigheten bestemt av tiden det tar sjokkbølgen (og ikke lyset) å krysse stjernen, ofte rundt et døgn.
Etter sjokkutbruddet
Etter at sjokkbølgen har nådd stjernens overflate blir gass som er svært het etter å ha blitt påvirket av sjokket, synlig. På dette tidspunktet eksploderer stjernen og alt bortsett fra den innerste kjernen farer utover med enorm hastighet (ofte opptil 20 000 km/s). Gassene utvider seg dermed gradvis slik at temperatur og lysstyrke avtar. Denne fasen kalles gjerne ildkulefasen og har blitt observert flere ganger fra noen timer til dager etter at sjokkbølgen har nådd overflaten.
Konsekvensene for Betelgeuse
Den røde superkjempen Betelgeuse i stjernebildet Orion har vært mye omdiskutert de siste årene siden den fra desember 2019 til februar 2020 gjennomgikk en kraftig svekkelse av lysstyrken. Dette viste seg å skyldes en sky av støv som skygget for deler av stjerneoverflaten, men ble i en periode tolket av noen som et tegn på en nært forestående supernova-eksplosjon.
Betelgeuse er en av de nærmeste stjernene vi kjenner som «snart» kan eksplodere som supernova – i dette tilfellet trolig i løpet av rundt 100 000 år. Avstand til denne stjernen er ca. 550 lysår og nåværende masse er rundt 16,5–19 solmasser. Hvordan ville dette oppleves fra Jorden?
Lyskurven lenger oppe i saken viser hvordan vi kan vente at lysstyrken utvikler seg. Fra bakken vil vi merke en plutselig og dramatisk økning i lysstyrken, og etter noen minutter vil denne ha nådd opp mot astronomisk lysstyrke ca. -9,4, dvs. 80 ganger sterkere enn planeten Venus lyser på sitt aller sterkeste. Betelgeuse vil gi nok lys til at vi nattestid lett kan se skygger på bakken i mørke områder.
Etter å ha nådd denne kortvarige toppen, vil lysstyrken raskt avta før den øker jevnt de neste 14 dagene og når et maksimum som tilsvarer lysstyrken til halvmånen.
Overflaten til Betelgeuse fotografert i januar 2019.
Foto: ESO/M. Montargès et al.
Klikk på “Liker” og få melding når nye saker legges ut!
Forsiden
