Il buco nero innesca l’esplosione prematura di una supernova: prima osservazione di un tipo completamente nuovo di supernova

Questa illustrazione mostra una stella massiccia che sta per esplodere. L’esplosione è stata innescata dopo che la sua compagna, una stella morta (un buco nero o una stella di neutroni) è caduta nel nucleo della stella. Gli scienziati affermano che il buco nero o la stella di neutroni si è scontrato con la stella massiccia e poi, mentre viaggiava nell’entroterra nel corso dei secoli, ha espulso un vortice di materiale dall’atmosfera della stella (nell’immagine che circonda la stella). Quando ha raggiunto il nucleo della stella, il materiale del nucleo è caduto rapidamente sul cadavere della stella, rilasciando un paio di getti quasi alla velocità della luce. Nella rappresentazione di questo artista, vengono mostrati dei getti che scavano un tunnel attraverso la stella, per innescare presto un’esplosione di supernova. Dopo alcuni anni, la supernova romperà la massa della spirale espulsa, che si estende fino a circa 10.000 volte la dimensione della stella. Questo creerà una radiosorgente luminosa transitoria che viene osservata dall’array molto grande. Credito: Chuck Carter

I teorici hanno previsto la prima osservazione di un tipo completamente nuovo di supernova, ma non è stata confermata prima.

Nel 2017 è stata scoperta una fonte luminosa e insolita di onde radio nei dati acquisiti dal Very Large Array Sky Survey (VLA), un progetto che scansiona il cielo notturno con lunghezze d’onda radio. Ora, guidato dallo studente laureato al Caltech Dillon Dong (MS ’18), un team di astronomi ha determinato che il bagliore radiofonico luminoso è stato causato da Buco nero o stella di neutroni Si scontra con la sua stella compagna in un processo senza precedenti.

«Le stelle massicce di solito esplodono come supernovae quando il loro combustibile nucleare si esaurisce», afferma Greg Hallinan, professore di astronomia al Caltech. «Ma in questo caso, un buco nero gassoso o una stella di neutroni ha fatto esplodere prematuramente la sua stella compagna». Questa è la prima volta in assoluto che viene confermata un’esplosione di supernova causata da una fusione.

Un articolo sui risultati è stato pubblicato sulla rivista Scienza Il 3 settembre 2021.

Bagliori luminosi nel cielo notturno

Hallinan e il suo team cercano i cosiddetti transienti radio, sorgenti di onde radio di breve durata che brillano intensamente e bruciano rapidamente come un fiammifero in una stanza buia. I trasmettitori radio sono un modo eccellente per identificare eventi astronomici insoliti, come stelle massicce che esplodono e rilasciano getti energetici o fusioni di stelle di neutroni.

Dillon Dong, con una parabola radio di 40 metri all’Owens Valley Radio Observatory del Caltech sullo sfondo.

Mentre esaminava l’enorme set di dati del VLA, Dong scelse una sorgente di onde radio altamente luminosa dall’indagine VLA chiamata VT 1210 + 4956. Questa sorgente è associata al transiente radio più luminoso associato a una supernova.

Dong determinò che l’energia radio luminosa era originariamente una stella circondata da una spessa e densa crosta di gas. Questo guscio gassoso era stato lanciato dalla stella alcune centinaia di anni fa prima dei giorni nostri. VT 1210+4956, Radio Transient, si è verificato quando la stella è finalmente esplosa in una supernova e il materiale rilasciato dall’esplosione ha interagito con l’involucro del gas. Tuttavia, il proiettile di gas stesso e la linea temporale in cui è stato lanciato dalla stella erano insoliti, quindi Dong sospettava che potesse esserci di più nella storia di questa esplosione.

Due eventi insoliti

Dopo la scoperta di Dong, la studentessa laureata al Caltech Anna Ho (PhD ’20) ha suggerito di confrontare questo transito radio con un diverso indice di brevi eventi luminosi nello spettro dei raggi X. Alcuni eventi a raggi X sono stati così di breve durata che sono esistiti nel cielo solo per pochi secondi del tempo terrestre. Esaminando questo altro catalogo, Dong ha scoperto una sorgente di raggi X che ha avuto origine dallo stesso punto nel cielo di VT 1210 + 4956. Attraverso un’attenta analisi, Dong ha dimostrato che i raggi X e le onde radio provenivano probabilmente dallo stesso evento.

Greg Hallinan

«Il passaggio dei raggi X è stato un evento insolito: indicava che al momento dell’esplosione era in corso il lancio di un jet relativistico», afferma Dong. Il bagliore radioluminescente indicava che il materiale di quell’esplosione in seguito si scontrò con un enorme anello di gas denso che era stato espulso dalla stella secoli fa. Questi due eventi non sono stati collegati tra loro e sono molto rari da soli».

puzzle da risolvere

Allora, cos’è successo? Dopo un’attenta modellazione, il team ha identificato la spiegazione più probabile: un evento che coinvolge alcuni giocatori cosmici noti per generare onde gravitazionali.

Hanno ipotizzato che un residuo compatto di una stella precedentemente esplosa – un buco nero o una stella di neutroni – stesse presto orbitando attorno a una stella. Nel corso del tempo, il buco nero ha iniziato a trascinare l’atmosfera della sua stella compagna e a lanciarla nello spazio, formando il toroide di gas. Questo processo ha portato i due oggetti sempre più vicini fino a quando il buco nero è precipitato nella stella, provocando il collasso della stella ed esplodendo come una supernova.

I raggi X sono stati prodotti da un getto che è stato sparato dal nucleo della stella nel momento in cui è collassata. Al contrario, le onde radio furono prodotte anni dopo, quando la stella esplosiva raggiunse il toroide di gas espulso dal corpo compresso in aumento.

Gli astronomi sanno che una stella massiccia e un corpo compatto che l’accompagna possono formare una cosiddetta orbita stabile, in cui i due corpi si avvicinano gradualmente a spirale sempre più vicini in un periodo di tempo estremamente lungo. Questo processo forma un sistema binario che è stabile da milioni a miliardi di anni ma alla fine si scontrerà ed emetterà il tipo di onde gravitazionali rilevate da Lego in un 2015 e 2017.

Tuttavia, nel caso di VT 1210 + 4956, i due oggetti si sono scontrati istantaneamente e in modo catastrofico, provocando un’esplosione di raggi X e le onde radio osservate. Sebbene collisioni come queste fossero teoricamente previste, VT 1210 + 4956 fornisce la prima prova concreta di questo avvenimento.

Sondaggio di coincidenza

Il VLA Sky Survey produce enormi quantità di dati sui segnali radio dal cielo notturno, ma setacciare quei dati per scoprire un evento interessante e luminoso come VT 1210+4956 è come trovare un ago in un pagliaio. Dong dice che trovare questo particolare ago è stata, in un certo senso, una coincidenza.

«Avevamo idee su cosa avremmo potuto trovare nel sondaggio VLA, ma eravamo aperti alla possibilità di trovare cose che non ci aspettavamo», spiega Dong. «Abbiamo creato le condizioni per scoprire qualcosa di interessante eseguendo ricerche aperte e vincolate di grandi insiemi di dati e prendendo poi in considerazione tutti gli indizi contestuali che possiamo raccogliere sugli oggetti che abbiamo trovato. Durante questo processo, ti ritrovi tirato in direzioni diverse da interpretazioni diverse e lasci semplicemente che la natura ti dica cosa c’è là fuori.»

Il documento era intitolato «Sorgente radio transitoria corrispondente a una supernova di fusione». Dillon Dong è il primo autore. Oltre a Hallinan e Hu, altri coautori sono Ehud Nakar, Andrew Hughes, Kenta Hotukizaka, Steve Myers (PhD 90), Keshalai Dee (MS ’18, PHD ’21), Kunal Moli (PhD 15), Vikram Ravi, Asaf Horesh, Mansi Kesliwal (MS ’07, Ph.D. ’11) e Shree Kulkarni. I finanziamenti sono stati forniti dalla National Science Foundation, dalla US-Israel Bilateral Science Foundation, dall’I-Core Program del Planning and Budget Committee e dalla Israel Science Foundation, dal Natural Sciences and Engineering Council of Canada, dal Miller Institute for Basic Research in Science presso l’Università di Berkeley, la Japan Society for the Promotion of Science, il Early Professional Scientists Program, il National Radio Astronomy Observatory e la Heising-Simons Foundation.