U svijetu astrofizike, gdje se neprestano pomiču granice našeg razumijevanja svemira, međunarodni tim znanstvenika, predvođen astrofizičarima sa Sveučilišta Northwestern, nedavno je zabilježio dosad neviđenu vrstu eksplozije zvijezde, poznate kao supernova. Ovo izvanredno otkriće, nazvano SN2021yfj, donosi nam jedinstven uvid u unutarnje mehanizme umiruće zvijezde, otkrivajući slojeve teških elemenata poput silicija, sumpora i argona, što je u suprotnosti s uobičajenim opažanjima.

Nevjerojatno otkriće: Supernova ogoljena do srži

Kada masivne zvijezde dožive svoju spektakularnu eksploziju, astrofizičari obično očekuju snažne signale lakših elemenata, prvenstveno vodika i helija. Međutim, supernova SN2021yfj pokazala je zapanjujuće drugačiji kemijski potpis. Njezina je svjetlost bila bogata silicijem, sumporom i argonom, elementima koji se obično nalaze duboko unutar zvjezdane jezgre. Ovo je otkriće izazvalo veliko uzbuđenje u znanstvenoj zajednici, jer pruža izravan dokaz o dugo teoretiziranoj slojevitoj strukturi zvjezdanih divova i nudi neviđen pogled u duboku unutrašnjost masivne zvijezde – samo trenutke prije njezine eksplozivne smrti.

Promatranja SN2021yfj snažno sugeriraju da je masivna zvijezda, na neki neobičan način, izgubila svoje vanjske slojeve vodika, helija i ugljika prije nego što je eksplodirala. To je rezultiralo izlaganjem unutarnjih slojeva bogatih silicijem i sumporom. Studija koja opisuje ovo revolucionarno otkriće objavljena je 20. kolovoza 2025. godine u prestižnom časopisu Nature.

„Ovo je prvi put da smo vidjeli zvijezdu koja je doslovno ogoljena do kosti“, izjavio je Steve Schulze sa Sveučilišta Northwestern, koji je vodio studiju. „Ovo nam pokazuje kako su zvijezde strukturirane i dokazuje da zvijezde mogu izgubiti ogromnu količinu materijala prije nego što eksplodiraju. Ne samo da mogu izgubiti svoje najudaljenije slojeve, već mogu biti potpuno ogoljene sve do dubine i još uvijek proizvesti briljantnu eksploziju koju možemo promatrati s vrlo, vrlo velikih udaljenosti.“

„Ovaj događaj doslovno ne izgleda kao ništa što je itko ikada prije vidio“, dodao je Adam Miller, također sa Sveučilišta Northwestern i jedan od vodećih autora studije. „Bilo je gotovo toliko čudno da smo pomislili da možda nismo promatrali pravi objekt. Ova nam zvijezda govori da su naše ideje i teorije o tome kako se zvijezde razvijaju preuske. Nije da su naši udžbenici netočni, ali očito ne obuhvaćaju u potpunosti sve što se proizvodi u prirodi. Mora postojati više egzotičnih puteva za masivnu zvijezdu da okonča svoj život koje nismo uzeli u obzir.“

Schulze, stručnjak za najekstremnije prolazne objekte u astronomiji, istraživački je suradnik u Centru za interdisciplinarno istraživanje i istraživanje u astrofizici (CIERA) na Northwesternu. Miller je docent fizike i astronomije na Weinberg College of Arts and Sciences na Northwesternu i vodeći član CIERA-e te NSF-Simons AI Institute for the Sky.

Slojevita struktura masivnih zvijezda: Kozmička 'glavica luka'

Masivne zvijezde, čija masa može biti 10 do 100 puta veća od mase našeg Sunca, pokreće nuklearna fuzija. U tom procesu, intenzivan tlak i ekstremna toplina u zvjezdanoj jezgri uzrokuju spajanje lakših elemenata, stvarajući teže elemente. Znanstvenici već dugo teoretiziraju da masivne zvijezde imaju slojevitu strukturu, sličnu glavici luka. Najudaljeniji slojevi pretežno se sastoje od najlakših elemenata, poput vodika i helija. Kako se slojevi pomiču prema unutra, elementi postaju sve teži i teži, sve dok se ne dosegne najdublja željezna jezgra.

Kada temperatura i gustoća u jezgri porastu, fuzija počinje i u vanjskim slojevima. Kako se zvijezda razvija tijekom vremena, sukcesivno teži elementi se fuzioniraju u jezgri, dok se lakši elementi fuzioniraju u nizu ljuski koje okružuju jezgru. Ovaj proces se nastavlja, što na kraju dovodi do jezgre sastavljene od željeza. Željezo je krajnji proizvod fuzije u zvijezdama jer njegova fuzija ne oslobađa energiju, već je troši. Kada željezna jezgra postane prevelika i nestabilna, ona se urušava pod vlastitom gravitacijom, što pokreće masivnu eksploziju poznatu kao supernova tipa II, ili pak dovodi do formiranja crne rupe ili neutronske zvijezde.

Iako masivne zvijezde obično odbacuju slojeve prije eksplozije, SN2021yfj je izbacila daleko više materijala nego što su znanstvenici ikada prije detektirali. Druga promatranja "ogoljenih zvijezda" otkrila su slojeve helija ili ugljika i kisika – izložene nakon gubitka vanjske vodikove ovojnice. No, astrofizičari nikada nisu zavirili dublje od toga, što je nagovještavalo da je nešto izuzetno nasilno i izvanredno moralo biti na djelu.

Potraga za kozmičkom anomalijom: Kako je SN2021yfj ugledala svjetlo dana

Otkriće SN2021yfj započelo je u rujnu 2021. godine, kada su Schulze i njegov tim koristili pristup Zwicky Transient Facility (ZTF), teleskopu smještenom istočno od San Diega. ZTF koristi širokokutnu kameru za skeniranje cijelog vidljivog noćnog neba. Od svog pokretanja, ZTF je postao primarni svjetski motor za otkrivanje astronomskih prolaznih pojava – kratkotrajnih fenomena poput supernova koje iznenada bljesnu, a zatim brzo izblijede.

Pretražujući podatke ZTF-a, Schulze je uočio izuzetno sjajan objekt u regiji formiranja zvijezda, udaljenoj 2,2 milijarde svjetlosnih godina od Zemlje. Kako bi dobio više informacija o misterioznom objektu, tim je želio dobiti njegov spektar, koji razlaže raspršenu svjetlost na sastavne boje. Svaka boja predstavlja drugačiji element. Stoga, analizirajući spektar supernove, znanstvenici mogu otkriti koji su elementi prisutni u eksploziji.

Iako je Schulze odmah krenuo u akciju, potraga za spektrom naišla je na brojne prepreke. Teleskopi diljem svijeta bili su ili nedostupni ili nisu mogli prodrijeti kroz oblake kako bi dobili jasnu sliku. Srećom, tim je dobio iznenađenje od kolege astronoma, koji je prikupio spektar koristeći instrumente u W.M. Keck Observatory na Havajima.

„Mislili smo da smo potpuno izgubili priliku za dobivanje ovih promatranja“, rekao je Miller. „Tako smo razočarani otišli na spavanje. Ali sljedećeg jutra, kolega s UC Berkeley neočekivano nam je dostavio spektar. Bez tog spektra možda nikada ne bismo shvatili da je ovo bila čudna i neobična eksplozija.“

„Vidjeli smo zanimljivu eksploziju, ali nismo imali pojma što je to“, rekao je Schulze o SN2021yfj. „Gotovo odmah smo shvatili da je to nešto što nikada prije nismo vidjeli, pa smo to morali proučiti sa svim dostupnim resursima.“

Misterij ogoljene zvijezde: Što je uzrokovalo ekstremno ljuštenje?

Umjesto tipičnih elemenata poput helija, ugljika, dušika i kisika – koji se nalaze u drugim ogoljenim supernovama – spektrom SN2021yfj dominirali su snažni signali silicija, sumpora i argona. Ovi teži elementi nastaju nuklearnom fuzijom duboko unutar masivne zvijezde tijekom njezinih posljednjih faza života. To znači da je zvijezda morala izgubiti gotovo sve svoje vanjske slojeve, otkrivajući svoju unutrašnjost neposredno prije eksplozije.

„Ova je zvijezda izgubila većinu materijala koji je proizvela tijekom svog životnog vijeka“, objasnio je Schulze. „Tako smo mogli vidjeti samo materijal formiran tijekom mjeseci neposredno prije njezine eksplozije. Nešto vrlo nasilno moralo se dogoditi da bi se to uzrokovalo.“

Iako precizan uzrok ovog fenomena ostaje otvoreno pitanje, Schulze i Miller predlažu da je na djelu bio rijedak i snažan proces. Istražuju više scenarija, uključujući interakcije s potencijalnom zvijezdom pratilicom, masivnu erupciju prije supernove ili čak neobično jake zvjezdane vjetrove. Svaki od ovih mehanizama mogao bi objasniti gubitak vanjskih slojeva, ali razmjeri ogoljenja SN2021yfj ukazuju na nešto ekstremnije.

Jedan od najvjerojatnijih scenarija, prema timu, jest da je ova misteriozna supernova rezultat masivne zvijezde koja se doslovno razdire. Kako se jezgra zvijezde stišće pod vlastitom gravitacijom, postaje još toplija i gušća. Ekstremna toplina i gustoća tada ponovno pokreću nuklearnu fuziju s takvom nevjerojatnom intenzitetom da uzrokuje snažan nalet energije koji odbacuje vanjske slojeve zvijezde. Ovaj proces, poznat kao nestabilnost parova (pair-instability), može dovesti do pulsirajućih erupcija koje izbacuju ogromne količine materijala. Svaki put kada zvijezda prođe kroz novu epizodu nestabilnosti parova, odgovarajući puls odbacuje više materijala.

„Jedno od najnovijih izbacivanja ljuske sudarilo se s već postojećom ljuskom, što je proizvelo briljantnu emisiju koju smo vidjeli kao SN2021yfj“, rekao je Schulze, objašnjavajući kako je ovaj sudar stvorio iznimno sjajan bljesak koji je bio vidljiv sa Zemlje.

„Iako imamo teoriju o tome kako je priroda stvorila ovu specifičnu eksploziju“, rekao je Miller, „ne bih se kladio životom da je to točno, jer još uvijek imamo samo jedan otkriveni primjer. Ova zvijezda zaista naglašava potrebu za otkrivanjem više ovakvih rijetkih supernova kako bismo bolje razumjeli njihovu prirodu i kako nastaju.“

Implikacije za astrofiziku: Novi pogled u srce umirućih divova

Otkriće SN2021yfj predstavlja značajan korak naprijed u astrofizici. Ono pruža izravan empirijski dokaz za teorijske modele zvjezdane evolucije koji predviđaju slojevitu strukturu masivnih zvijezda. Do sada su se takvi modeli temeljili na indirektnim promatranjima i računalnim simulacijama. Sada, s SN2021yfj, znanstvenici imaju priliku izravno promatrati duboke unutarnje slojeve zvijezde neposredno prije njezine smrti, što je neprocjenjivo za kalibraciju i usavršavanje postojećih teorija.

Ova supernova također otvara nova pitanja o mehanizmima gubitka mase kod masivnih zvijezda. Ako zvijezde mogu izgubiti toliko materijala, čak i do te mjere da se ogole do silicijske jezgre, to bi moglo imati značajne implikacije na naše razumijevanje formiranja crnih rupa, neutronskih zvijezda i obogaćivanja svemira teškim elementima. Ekstremni gubitak mase prije eksplozije može utjecati na konačnu masu i tip ostatka zvijezde.

Buduća istraživanja će se fokusirati na traženje sličnih objekata kako bi se potvrdila jedinstvenost SN2021yfj ili otkrilo da je riječ o novoj klasi supernova. Razvoj naprednijih teleskopa i tehnika promatranja, kao i sofisticiraniji računalni modeli, bit će ključni za rasvjetljavanje ovih kozmičkih misterija. Svaka nova otkrivena supernova poput SN2021yfj donosi nam bliže razumijevanju najspektakularnijih događaja u svemiru i same evolucije zvijezda koje su gradivni blokovi našeg kozmičkog doma.

Studiju je podržala Nacionalna zaklada za znanost (National Science Foundation), a podrška CIERA-e omogućila je pristup podacima teleskopa ZTF.

Izvor: Northwestern University