Supernova di Keplero: I detriti dell’esplosione stellare non hanno rallentato dopo 400 anni


Gli astronomi hanno utilizzato il Chandra X-ray Observatory della NASA per registrare le esplosioni di materiale dal sito di una stella esplosa a velocità superiori ai 20 milioni di chilometri all’ora.


Il residuo della supernova Keplero è costituito dai detriti di una stella esplosa che si trova a circa 20.000 anni luce di distanza dalla Terra nella nostra galassia, la Via Lattea. Nel 1604 i primi astronomi, tra cui Johannes Kepler da cui l’omonimo oggetto, videro l’esplosione della supernova che distrusse la stella.

Oggi sappiamo che il residuo di supernova di Keplero è il risultato di una cosiddetta supernova di tipo Ia, dove una piccola stella densa, nota come nana bianca, supera un limite di massa critica dopo aver interagito con una stella compagna e subisce un’esplosione termonucleare che frantuma la nana bianca e lancia i suoi resti verso l’esterno.

L’ultimo studio ha tracciato la velocità di 15 piccoli “nodi” di detriti nel residuo della supernova di Keplero, tutti incandescenti ai raggi X. Il nodo più veloce è stato misurato avere una velocità di 40 milioni di chilometri all’ora, la più alta velocità mai rilevata di detriti residui di supernova nei raggi X. La velocità media dei nodi è di circa 16 milioni di chilometri all’ora, e l’onda d’urto si sta espandendo a circa 25 milioni di chilometri all’ora. Questi risultati confermano in modo indipendente la scoperta nel 2017 di nodi che viaggiano a velocità superiori a 30 milioni di chilometri all’ora nel residuo di supernova Keplero.

I ricercatori dell’ultimo studio hanno stimato le velocità dei nodi analizzando gli spettri a raggi X di Chandra, che danno l’intensità dei raggi X a diverse lunghezze d’onda, ottenuti nel 2016. Confrontando le lunghezze d’onda delle caratteristiche dello spettro dei raggi X con i valori di laboratorio e utilizzando l’effetto Doppler, hanno misurato la velocità di ogni nodo lungo la linea di vista da Chandra al resto. Hanno anche utilizzato immagini Chandra ottenute nel 2000, 2004, 2006 e 2014 per rilevare le variazioni di posizione dei nodi e misurare la loro velocità perpendicolare alla nostra linea di vista. Queste due misure combinate per dare una stima della velocità reale di ogni nodo nello spazio tridimensionale. Un grafico fornisce una spiegazione visiva di come i movimenti dei nodi nelle immagini e gli spettri a raggi X sono stati combinati per stimare le velocità totali.

Il lavoro del 2017 ha applicato la stessa tecnica generale del nuovo studio, ma ha utilizzato gli spettri a raggi X di un altro strumento su Chandra. Questo significava che il nuovo studio aveva determinazioni più precise delle velocità del nodo lungo la linea di vista e, quindi, delle velocità totali in tutte le direzioni.

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Una nuova sequenza di immagini di Chandra, scattata nell’arco di quasi un decennio e mezzo, cattura il movimento nel residuo di supernova di Keplero. Pezzi di questo campo di detriti si muovono ancora a circa 30 milioni di chilometri all’ora dopo 400 anni dalla scoperta dell’esplosione da parte dei primi astronomi. Gli scienziati stanno ancora cercando di determinare se un’esplosione estremamente potente o un ambiente insolito intorno ad essa sia responsabile di queste alte velocità così a lungo dopo l’esplosione. La supernova Keplero è stata innescata da una nana bianca che ha raggiunto una massa critica dopo aver interagito con una stella compagna ed è esplosa.

In questa nuova sequenza delle quattro immagini Chandra del residuo della supernova di Keplero, il rosso, il verde e il blu rivelano rispettivamente i raggi X a bassa, media e alta energia. Il film zooma per mostrare alcuni dei nodi più veloci in movimento.

Le alte velocità di Keplero sono simili a quelle che gli scienziati hanno visto nelle osservazioni ottiche delle esplosioni di supernove in altre galassie solo pochi giorni o settimane dopo l’esplosione, ben prima che un residuo di supernova si formi decenni dopo. Questo confronto implica che alcuni nodi di Keplero non sono stati quasi mai rallentati da collisioni con il materiale che circonda il residuo nei circa 400 anni successivi all’esplosione.

In base agli spettri di Chandra, otto dei 15 nodi si stanno decisamente allontanando dalla Terra, ma solo due sono confermati per andare verso di noi. (Gli altri cinque non mostrano una chiara direzione di movimento lungo la nostra linea di vista). Questa asimmetria nel movimento dei nodi implica che i detriti potrebbero non essere simmetrici lungo la nostra linea di vista, ma è necessario studiare altri nodi per confermare questo risultato.

I quattro nodi con le velocità totali più elevate sono tutti situati lungo una banda orizzontale di emissione di raggi X luminosi. Tre di essi sono etichettati in una vista ravvicinata. Questi quattro nodi si muovono tutti in una direzione simile e hanno quantità simili di elementi più pesanti come il silicio, suggerendo che la materia in tutti questi nodi ha avuto origine dallo stesso strato della nana bianca esplosa.

Uno degli altri nodi più veloci in movimento si trova nell'”orecchio” del lato destro del resto di supernova, sostenendo l’intrigante idea che la forma tridimensionale dei detriti sia più simile a un pallone da calcio che a una sfera uniforme. Questo nodo e altri due sono contrassegnati da frecce in una vista ravvicinata.

La spiegazione del materiale ad alta velocità non è chiara. Alcuni scienziati hanno suggerito che il residuo della supernova di Keplero proviene da un tipo Ia insolitamente luminoso, il che potrebbe spiegare il materiale ad alta velocità. È anche possibile che l’ambiente circostante il resto sia di per sé goffo, il che potrebbe permettere ad alcuni detriti di scavare un tunnel attraverso regioni a bassa densità ed evitare di essere molto decelerati.

Il team del 2017 ha anche utilizzato i suoi dati per affinare le stime precedenti del luogo dell’esplosione della supernova. Questo ha permesso loro di cercare un compagno della nana bianca che potrebbe essere sopravvissuto alla supernova, e di saperne di più su ciò che ha innescato l’esplosione. Hanno trovato una mancanza di stelle luminose vicino al centro del relitto. Questo implica che una stella come il Sole non donasse materiale alla nana bianca fino a quando non avesse raggiunto la massa critica. E’ favorita invece l’ipotesi della fusione tra due nane bianche.

I nuovi risultati sono stati riportati in un articolo condotto da Matthew Millard, dell’Università del Texas di Arlington, e pubblicato nel numero del 20 aprile 2020 dell’Astrophysical Journal. Il paper è disponibile anche online. I co-autori dell’articolo sono Jayant Bhalerao e Sangwook Park (Università del Texas ad Arlington), Toshiki Sato (RIKEN a Saitama, Giappone, e il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland), John (Jack) Hughes (Rutgers University a Piscataway, New Jersey), Patrick Slane e Daniel Patnaude (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics a Cambridge, Mass. ), David Burrows (Penn State University, University Park, Penn.), e Carles Badenes (Università di Pittsburgh, Penn).

Un articolo di Toshiki Sato e Jack Hughes ha riportato la scoperta di nodi in rapido movimento nel residuo della supernova di Keplero ed è stato pubblicato nel numero del 20 agosto 2017 di The Astrophysical Journal. Il documento è disponibile online.

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