W świecie astrofizyki, gdzie granice naszego rozumienia wszechświata są nieustannie przesuwane, międzynarodowy zespół naukowców, prowadzony przez astrofizyków z Northwestern University, niedawno zarejestrował dotąd niespotykany rodzaj eksplozji gwiazdy, znany jako supernowa. To niezwykłe odkrycie, nazwane SN2021yfj, daje nam unikalny wgląd w wewnętrzne mechanizmy umierającej gwiazdy, odkrywając warstwy ciężkich pierwiastków, takich jak krzem, siarka i argon, co jest sprzeczne z typowymi obserwacjami.

Niewiarygodne odkrycie: Supernowa obnażona do samego jądra

Gdy masywne gwiazdy przeżywają swoją spektakularną eksplozję, astrofizycy zazwyczaj oczekują silnych sygnałów lżejszych pierwiastków, głównie wodoru i helu. Jednak supernowa SN2021yfj wykazała zdumiewająco inny podpis chemiczny. Jej światło było bogate w krzem, siarkę i argon, pierwiastki zwykle znajdujące się głęboko w jądrze gwiazdy. To odkrycie wywołało wielkie poruszenie w społeczności naukowej, ponieważ dostarcza bezpośredniego dowodu na długo teoretyzowaną warstwową strukturę gwiezdnych olbrzymów i oferuje bezprecedensowy wgląd w głębokie wnętrze masywnej gwiazdy – zaledwie chwilę przed jej wybuchową śmiercią.

Obserwacje SN2021yfj mocno sugerują, że masywna gwiazda, w jakiś niezwykły sposób, straciła swoje zewnętrzne warstwy wodoru, helu i węgla przed eksplozją. Skutkowało to odsłonięciem wewnętrznych warstw bogatych w krzem i siarkę. Badanie opisujące to rewolucyjne odkrycie zostało opublikowane 20 sierpnia 2025 roku w prestiżowym czasopiśmie Nature.

„To pierwszy raz, kiedy widzieliśmy gwiazdę dosłownie obdartą do kości” – powiedział Steve Schulze z Northwestern University, który prowadził badanie. „To pokazuje nam, jak zbudowane są gwiazdy i dowodzi, że gwiazdy mogą stracić ogromną ilość materii, zanim eksplodują. Nie tylko mogą stracić swoje najbardziej zewnętrzne warstwy, ale mogą być całkowicie obnażone aż do samego jądra i wciąż wytworzyć olśniewającą eksplozję, którą możemy obserwować z bardzo, bardzo dużych odległości.”

„To zjawisko dosłownie nie wygląda jak nic, co ktokolwiek kiedykolwiek widział” – dodał Adam Miller, również z Northwestern University i jeden z głównych autorów badania. „Było to prawie tak dziwne, że myśleliśmy, że może nie obserwujemy właściwego obiektu. Ta gwiazda mówi nam, że nasze idee i teorie na temat ewolucji gwiazd są zbyt wąskie. Nie chodzi o to, że nasze podręczniki są nieprawidłowe, ale oczywiście nie obejmują w pełni wszystkiego, co powstaje w naturze. Muszą istnieć bardziej egzotyczne ścieżki, którymi masywna gwiazda może zakończyć swoje życie, a których nie braliśmy pod uwagę.”

Schulze, ekspert w dziedzinie najbardziej ekstremalnych zjawisk przejściowych w astronomii, jest pracownikiem naukowym w Centrum Badań Interdyscyplinarnych i Eksploracji w Astrofizyce (CIERA) na Northwestern. Miller jest adiunktem fizyki i astronomii na Weinberg College of Arts and Sciences na Northwestern oraz czołowym członkiem CIERA i Instytutu AI dla Nieba NSF-Simons.

Warstwowa struktura masywnych gwiazd: Kosmiczna 'cebula'

Masywne gwiazdy, których masa może być od 10 do 100 razy większa od masy naszego Słońca, są napędzane przez fuzję jądrową. W tym procesie intensywne ciśnienie i ekstremalne ciepło w jądrze gwiazdy powodują łączenie się lżejszych pierwiastków, tworząc cięższe pierwiastki. Naukowcy od dawna teoretyzowali, że masywne gwiazdy mają strukturę warstwową, podobną do cebuli. Najbardziej zewnętrzne warstwy składają się głównie z najlżejszych pierwiastków, takich jak wodór i hel. W miarę przesuwania się w głąb, pierwiastki stają się coraz cięższe, aż do osiągnięcia najgłębszego żelaznego jądra.

Gdy temperatura i gęstość w jądrze wzrastają, fuzja rozpoczyna się również w zewnętrznych warstwach. W miarę ewolucji gwiazdy, kolejne cięższe pierwiastki ulegają fuzji w jądrze, podczas gdy lżejsze pierwiastki ulegają fuzji w serii powłok otaczających jądro. Proces ten trwa, ostatecznie prowadząc do powstania jądra złożonego z żelaza. Żelazo jest końcowym produktem fuzji w gwiazdach, ponieważ jego fuzja nie uwalnia energii, lecz ją zużywa. Gdy żelazne jądro staje się zbyt duże i niestabilne, zapada się pod własną grawitacją, co wywołuje potężną eksplozję znaną jako supernowa typu II, lub prowadzi do powstania czarnej dziury lub gwiazdy neutronowej.

Chociaż masywne gwiazdy zazwyczaj odrzucają warstwy przed eksplozją, SN2021yfj wyrzuciła znacznie więcej materii, niż naukowcy kiedykolwiek wcześniej wykryli. Inne obserwacje "obnażonych gwiazd" ujawniły warstwy helu lub węgla i tlenu – odsłonięte po utracie zewnętrznej otoczki wodorowej. Ale astrofizycy nigdy nie zajrzeli głębiej, co sugerowało, że musiało działać coś wyjątkowo gwałtownego i niezwykłego.

W poszukiwaniu kosmicznej anomalii: Jak SN2021yfj ujrzała światło dzienne

Odkrycie SN2021yfj rozpoczęło się we wrześniu 2021 roku, kiedy Schulze i jego zespół skorzystali z Zwicky Transient Facility (ZTF), teleskopu zlokalizowanego na wschód od San Diego. ZTF używa szerokokątnej kamery do skanowania całego widzialnego nocnego nieba. Od momentu uruchomienia, ZTF stał się głównym światowym motorem do odkrywania astronomicznych zjawisk przejściowych – krótkotrwałych zjawisk, takich jak supernowe, które nagle błyskają, a następnie szybko gasną.

Przeszukując dane z ZTF, Schulze zauważył niezwykle jasny obiekt w regionie formowania się gwiazd, oddalonym o 2,2 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Aby uzyskać więcej informacji o tajemniczym obiekcie, zespół chciał uzyskać jego widmo, które rozszczepia rozproszone światło na składowe kolory. Każdy kolor reprezentuje inny pierwiastek. Dlatego, analizując widmo supernowej, naukowcy mogą określić, jakie pierwiastki są obecne w eksplozji.

Chociaż Schulze natychmiast przystąpił do działania, poszukiwanie widma napotkało liczne przeszkody. Teleskopy na całym świecie były albo niedostępne, albo nie mogły przeniknąć przez chmury, aby uzyskać wyraźny obraz. Na szczęście zespół spotkała niespodzianka od kolegi astronoma, który zebrał widmo za pomocą instrumentów w Obserwatorium W.M. Kecka na Hawajach.

„Myśleliśmy, że całkowicie straciliśmy szansę na uzyskanie tych obserwacji” – powiedział Miller. „Więc poszliśmy spać bardzo rozczarowani. Ale następnego ranka kolega z UC Berkeley niespodziewanie dostarczył nam widmo. Bez tego widma być może nigdy byśmy nie zdali sobie sprawy, że to była dziwna i niezwykła eksplozja.”

„Widzieliśmy interesującą eksplozję, ale nie mieliśmy pojęcia, co to jest” – powiedział Schulze o SN2021yfj. „Niemal natychmiast zdaliśmy sobie sprawę, że to coś, czego nigdy wcześniej nie widzieliśmy, więc musieliśmy to zbadać wszystkimi dostępnymi zasobami.”

Tajemnica obnażonej gwiazdy: Co spowodowało ekstremalne złuszczanie?

Zamiast typowych pierwiastków, takich jak hel, węgiel, azot i tlen – które znajdują się w innych obnażonych supernowych – widmo SN2021yfj zdominowały silne sygnały krzemu, siarki i argonu. Te cięższe pierwiastki powstają w wyniku fuzji jądrowej głęboko wewnątrz masywnej gwiazdy podczas jej ostatnich etapów życia. Oznacza to, że gwiazda musiała stracić prawie wszystkie swoje zewnętrzne warstwy, odsłaniając swoje wnętrze tuż przed eksplozją.

„Ta gwiazda straciła większość materii, którą wyprodukowała w ciągu swojego życia” – wyjaśnił Schulze. „Dzięki temu mogliśmy zobaczyć tylko materię uformowaną w miesiącach bezpośrednio poprzedzających jej eksplozję. Musiało się wydarzyć coś bardzo gwałtownego, aby to spowodować.”

Chociaż dokładna przyczyna tego zjawiska pozostaje otwartą kwestią, Schulze i Miller sugerują, że działał tu rzadki i potężny proces. Badają wiele scenariuszy, w tym interakcje z potencjalną gwiazdą towarzyszącą, potężną erupcję przed supernową, a nawet niezwykle silne wiatry gwiazdowe. Każdy z tych mechanizmów mógłby wyjaśnić utratę zewnętrznych warstw, ale skala obnażenia SN2021yfj wskazuje na coś bardziej ekstremalnego.

Jeden z najbardziej prawdopodobnych scenariuszy, według zespołu, jest taki, że ta tajemnicza supernowa jest wynikiem masywnej gwiazdy, która dosłownie się rozrywa. W miarę jak jądro gwiazdy kurczy się pod własną grawitacją, staje się jeszcze gorętsze i gęstsze. Ekstremalne ciepło i gęstość ponownie uruchamiają fuzję jądrową z taką niesamowitą intensywnością, że powoduje potężny wyrzut energii, który odrzuca zewnętrzne warstwy gwiazdy. Ten proces, znany jako niestabilność par (pair-instability), może prowadzić do pulsujących erupcji, które wyrzucają ogromne ilości materii. Za każdym razem, gdy gwiazda przechodzi przez nowy epizod niestabilności par, odpowiedni impuls odrzuca więcej materii.

„Jeden z najnowszych wyrzutów powłoki zderzył się z już istniejącą powłoką, co wyprodukowało olśniewającą emisję, którą widzieliśmy jako SN2021yfj” – powiedział Schulze, wyjaśniając, jak to zderzenie stworzyło wyjątkowo jasny błysk, który był widoczny z Ziemi.

„Chociaż mamy teorię na temat tego, jak natura stworzyła tę konkretną eksplozję” – powiedział Miller, „nie postawiłbym życia, że jest ona poprawna, ponieważ wciąż mamy tylko jeden odkryty przykład. Ta gwiazda naprawdę podkreśla potrzebę odkrycia większej liczby takich rzadkich supernowych, aby lepiej zrozumieć ich naturę i sposób powstawania.”

Implikacje dla astrofizyki: Nowe spojrzenie w serce umierających olbrzymów

Odkrycie SN2021yfj stanowi znaczący krok naprzód w astrofizyce. Dostarcza ono bezpośredniego dowodu empirycznego dla teoretycznych modeli ewolucji gwiazd, które przewidują warstwową strukturę masywnych gwiazd. Do tej pory takie modele opierały się na pośrednich obserwacjach i symulacjach komputerowych. Teraz, dzięki SN2021yfj, naukowcy mają okazję bezpośrednio obserwować głębokie wewnętrzne warstwy gwiazdy tuż przed jej śmiercią, co jest nieocenione dla kalibracji i udoskonalania istniejących teorii.

Ta supernowa otwiera również nowe pytania dotyczące mechanizmów utraty masy przez masywne gwiazdy. Jeśli gwiazdy mogą tracić tak dużo materii, nawet do tego stopnia, że zostają obnażone do krzemowego jądra, może to mieć znaczące implikacje dla naszego zrozumienia formowania się czarnych dziur, gwiazd neutronowych i wzbogacania wszechświata w ciężkie pierwiastki. Ekstremalna utrata masy przed eksplozją może wpłynąć na ostateczną masę i typ pozostałości po gwieździe.

Przyszłe badania skupią się na poszukiwaniu podobnych obiektów, aby potwierdzić wyjątkowość SN2021yfj lub odkryć, że jest to nowa klasa supernowych. Rozwój bardziej zaawansowanych teleskopów i technik obserwacyjnych, a także bardziej wyrafinowanych modeli komputerowych, będzie kluczowy dla rozwikłania tych kosmicznych tajemnic. Każda nowo odkryta supernowa, taka jak SN2021yfj, przybliża nas do zrozumienia najbardziej spektakularnych wydarzeń we wszechświecie i samej ewolucji gwiazd, które są budulcem naszego kosmicznego domu.

Badanie było wspierane przez Narodową Fundację Nauki (National Science Foundation), a wsparcie CIERA umożliwiło dostęp do danych z teleskopu ZTF.

Źródło: Northwestern University