Le supernova sono alcuni degli eventi più energici e potenti nell'universo osservabile. E mentre sappiamo che le supernova sono responsabili della creazione degli elementi pesanti necessari per tutto, dai pianeti alle persone agli utensili elettrici, gli scienziati hanno lottato a lungo per determinare la meccanica dietro l'improvviso crollo e la successiva esplosione di stelle massicce.
Ora, grazie alla missione NuSTAR della NASA, abbiamo i nostri primi indizi solidi su ciò che accade prima che una stella diventi "boom".
L'immagine sopra mostra il residuo di supernova Cassiopea A (o Cas A in breve) con i dati NuSTAR in blu e le osservazioni dell'Osservatorio dei raggi X di Chandra in rosso, verde e giallo. È l'onda d'urto rimasta dall'esplosione di una stella circa 15-25 volte più massiccia del nostro Sole oltre 330 anni fa *, e si illumina in varie lunghezze d'onda della luce a seconda delle temperature e dei tipi di elementi presenti.
Precedenti osservazioni con Chandra hanno rivelato emissioni di raggi X da gusci e filamenti in espansione di gas caldo ricco di ferro nel Cas A, ma non sono stati in grado di scrutare abbastanza in profondità per avere un'idea migliore di ciò che è all'interno della struttura. Non è stato fino a quando l'array di telescopi spettroscopici nucleari della NASA - che è NuSTAR a quelli che sanno - ha trasformato la sua visione a raggi X su Cas A che i pezzi del puzzle mancanti potevano essere trovati.
E sono realizzati in titanio radioattivo.
Sono stati realizzati molti modelli (usando milioni di ore di supercomputer) per cercare di spiegare le supernova del collasso del nucleo. Uno dei principali ha la stella strappata da potenti getti che sparano dai suoi poli - qualcosa che è associato a esplosioni di raggi gamma ancora più potenti (ma focalizzate). Ma non sembrava che i jet fossero la causa di Cas A, che non mostra resti elementali all'interno delle sue strutture a getto ... e inoltre, i modelli che si basano solo sui jet non hanno sempre portato a una supernova in piena regola.
A quanto pare, la presenza di grumi asimmetrici di titanio radioattivo in profondità all'interno dei gusci di Cas A, rivelata dai raggi X ad alta energia da NuSTAR, indica un processo sorprendentemente diverso in gioco: uno "sloshing" di materiale all'interno del progenitore stella che dà il via a un'onda d'urto, distruggendola alla fine.
Guarda un'animazione di come si verifica questo processo:
Lo sloshing, che si verifica nel giro di un paio di centinaia di millisecondi - letteralmente in un batter d'occhio - è paragonato all'acqua bollente su una stufa. Quando le bolle attraversano la superficie, il vapore esplode.
Solo in questo caso l'eruzione porta alla detonazione follemente potente di un'intera stella, facendo esplodere un'onda d'urto di particelle ad alta energia nel mezzo interstellare e disperdendo un periodico tavolo di elementi pesanti nella galassia.
Nel caso di Cas A, il titanio-44 è stato espulso, in gruppi che riecheggiano la forma dell'asimmetria sloshing originale. NuSTAR è stato in grado di immaginare e mappare il titanio, che brilla ai raggi X a causa della sua radioattività (e non perché è riscaldato dall'espansione delle onde d'urto, come altri elementi più leggeri visibili a Chandra.)
"Fino a quando non avessimo NuSTAR, non potevamo davvero vedere nel cuore dell'esplosione", ha detto l'astronomo di Caltech Brian Grefenstette durante una teleconferenza della NASA il 19 febbraio.
"In precedenza, era difficile interpretare ciò che stava accadendo nel Caso A perché il materiale che potevamo vedere si illumina solo ai raggi X quando viene riscaldato. Ora che possiamo vedere il materiale radioattivo, che brilla ai raggi X in ogni caso, stiamo ottenendo un quadro più completo di ciò che stava accadendo nel cuore dell'esplosione. ”
- Brian Grefenstette, autore principale, Caltech
Ok, fantastico, dici. Il NuSTAR della NASA ha trovato il bagliore del titanio negli avanzi di una stella esplosa, Chandra ha visto un po 'di ferro, e sappiamo che è scivolato e "bollito" una frazione di secondo prima che esplodesse. E allora?
"Ora dovresti occupartene", ha detto l'astronomo Robert Kirshner del Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian. "Le supernove creano gli elementi chimici, quindi se hai acquistato un'auto americana, non è stata fabbricata a Detroit due anni fa; gli atomi di ferro in quell'acciaio furono prodotti in un'antica esplosione di supernova avvenuta cinque miliardi di anni fa. E NuSTAR mostra che anche il titanio che si trova nell'anca sostitutiva di tuo zio Jack è stato prodotto in quell'esplosione.
"Siamo tutti polvere di stelle e NuSTAR ci sta mostrando da dove veniamo. Compresi i nostri pezzi di ricambio. Quindi dovresti preoccuparti di questo ... e anche tuo zio Jack. "
E non sono solo le supernove del collasso del nucleo che NuSTAR sarà in grado di indagare. Verranno esaminati anche altri tipi di supernova - nel caso di SN2014J, un tipo Ia che è stato individuato in M82 a gennaio, anche subito dopo che si sono verificati.
"Sappiamo che quelli sono un tipo di stella nana bianca che fa esplodere", la principale investigatrice di NuSTAR, Fiona Harrison, ha risposto a Space Magazine durante la teleconferenza. "Questa è una notizia molto eccitante ... NuSTAR guarda [SN2014J] da settimane e speriamo di poter dire qualcosa anche su quell'esplosione."
Uno dei risultati più preziosi delle recenti scoperte di NuSTAR è avere una nuova serie di vincoli osservati da porre sui futuri modelli di supernova di collasso del nucleo ... che aiuteranno a fornire risposte - e probabilmente nuove domande - su come esplodono le stelle, anche centinaia o migliaia di anni dopo lo fanno.
"NuSTAR è una scienza pionieristica e devi aspettarti che quando otterrai nuovi risultati, aprirà tutte le domande a cui rispondi", ha affermato Kirshner.
Lanciato nel giugno del 2012, NuSTAR è il primo telescopio a raggi X per focalizzare l'orbita attorno alla Terra e il primo telescopio in grado di produrre mappe di elementi radioattivi nei resti di supernova.
Leggi di più sul comunicato stampa JPL qui e ascolta la conferenza stampa completa qui.
* Dato che Cas A risiede a 11.000 anni luce dalla Terra, la data effettiva della supernova sarebbe di circa 11.330 anni fa. Dare o prendere alcuni.
