Interpretazione artistica della supernova ricca di calcio 2019ehk. In arancione è stato indicato il materiale ricco di calcio creato nell’esplosione. La colorazione viola rappresenta il gas diffuso dalla stella proprio prima dell’esplosione, che ha prodotto emissione X quando il materiale espulso dalla stella si è scontrato con l’onda d’urto della supernova. Crediti: Aaron M. Geller/Northwestern University
La metà di tutto il calcio presente nell’universo – incluso quello che abbiamo nei nostri denti e nelle ossa – è stato creato nell’ultimo spasmo di vita di stelle morenti. Si chiamano supernove ricche di calcio e sono esplosioni stellari così rare che gli astrofisici hanno faticato davvero tanto a trovarle e successivamente studiarle. La natura di queste supernove e il meccanismo che porta alla creazione del calcio sono rimasti a lungo inafferrabili.
Ora un team guidato dalla Northwestern University sembra avere scoperto la vera natura di questi rari, misteriosi eventi. Per la prima volta in assoluto, i ricercatori hanno esaminato una supernova ricca di calcio con imaging a raggi X, che ha permesso di dare uno sguardo senza precedenti alla stella durante l’ultimo mese della sua vita, fino all’esplosione finale.
Le nuove scoperte hanno rivelato che una supernova ricca di calcio è una stella compatta che rilascia uno strato esterno di gas durante le fasi finali della sua vita. Quando la stella esplode, la sua materia si scontra con il materiale presente nel guscio esterno, che emette raggi X. L’esplosione provoca temperature molto alte e pressioni elevate, che guidano una reazione nucleare che produce calcio.
«Questi eventi sono così rari che non abbiamo mai saputo cosa producesse una supernova ricca di calcio», dice Wynn Jacobson-Galan, a guida dello studio. «Osservando quello che questa stella ha fatto nel suo ultimo mese, prima di raggiungere la sua tumultuosa fine, abbiamo sbirciato in un posto in precedenza inesplorato, aprendo nuove strade per studiare la scienza dei fenomeni transienti».
«Prima di questo evento, avevamo informazioni indirette su ciò che le supernove ricche di calcio potevano o meno essere», ricorda Raffaella Margutti della Northwestern, seconda autrice dello studio. «Ora, possiamo tranquillamente escludere diverse possibilità».
La ricerca è stata pubblicata oggi su The Astrophysical Journal. Sono quasi 70 i coautori che hanno contribuito al lavoro, provenienti da più di 15 paesi. Margutti è professoressa associata di fisica e astronomia nel Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern e membro del Ciera (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics). Jacobson-Galan è un ricercatore facente parte del gruppo di ricerca sui fenomeni transitori di Margutti.
La galassia a spirale Messier 100, uno dei membri più luminosi dell’ammasso della Vergine, l’ammasso di galassie più vicino alla nostra galassia, la Via Lattea. Si trova nella parte meridionale della costellazione della Chioma di Berenice, a una distanza di circa 55 milioni di anni-luce dalla Terra. È qui che Joel Shepherd individuò per primo la supernova. Crediti: Eso
L’esplosione di questa stella, chiamata Sn 2019ehk, è stata vista per la prima volta dall’astronomo dilettante Joel Shepherd, mentre osservava le stelle nel cielo di Seattle. Era il 28 aprile 2019, quando Shepherd usò il suo nuovo telescopio per osservare Messier 100 (M100), una galassia a spirale situata a 55 milioni di anni luce dalla Terra. Il giorno successivo però ebbe una inaspettata quanto bella sorpresa: un punto arancione brillante era apparso nell’inquadratura! Shepherd segnalò immediatamente l’anomalia alla comunità astronomica. «Non appena il mondo seppe che c’era una potenziale supernova in M100, la collaborazione divenne globale», racconta Jacobson-Galan. «Ogni singolo paese con un telescopio di rilievo, lo rivolse verso questo oggetto».
Importanti osservatori come il satellite Swift della Nasa, il W.M. Keck Observatory alle Hawaii e il Lick Observatory in California puntarono l’oggetto. Il team della Northwestern, che ha l’accesso al Keck da remoto, è stato uno dei tanti in tutto il mondo che ha attivato i suoi telescopi per esaminare Sn 2019ehk alle lunghezze d’onda ottiche. Daichi Hiramatsu, studente universitario della Santa Barbara University della California, è stato il primo ad attivare Swift per studiare Sn 2019ehk nei raggi X e nell’ultravioletto. Hiramatsu è anche uno scienziato del Las Cumbres Observatory, che ha avuto un ruolo cruciale nel monitoraggio dell’evoluzione a lungo termine di questa supernova con la sua rete globale di telescopi.
L’operazione di follow-up in tutto il mondo si è attivata così rapidamente che la supernova è stata osservata solo 10 ore dopo esplosione. L’emissione X rilevata con Swift è rimasta solo per cinque giorni e poi è scomparsa completamente. «Nel mondo dei fenomeni transitori, dobbiamo scoprire le cose molto, molto velocemente prima che svaniscano», spiega Margutti. «Inizialmente, nessuno stava cercando nei raggi X. Daichi notò qualcosa e ci avvertì dello strano aspetto di quelli che sembravano raggi X. Abbiamo guardato le immagini e ci siamo resi conto che qualcosa c’era. Era molto più luminosa di quanto nessuno avrebbe mai pensato. Non c’erano teorie preesistenti che prevedevano che i transitori ricchi di calcio sarebbero stati così luminosi alle lunghezze d’onda dei raggi X».
Tutto il calcio proviene dalle stelle, ma le supernove ricche di calcio hanno un impatto preponderante. Tipicamente le stelle creano piccole quantità di calcio lentamente, bruciando elio per tutta la vita. Le supernove, d’altra parte, producono enormi quantità di calcio in pochi secondi. «L’esplosione sta cercando di raffreddarsi», osserva Margutti. «Vuole disperdere la sua energia e l’emissione di calcio è un modo efficace per farlo».
L’Osservatorio W. M. Keck situato a Maunakea, alle Hawaii. Crediti: Ethan Tweedie Photography / W. Osservatorio M. Keck
Utilizzando il Keck, il team della Northwestern ha scoperto che Sn 2019ehk ha emesso la maggior quantità di calcio mai osservata in un singolo evento astrofisico. «Non solo era ricca di calcio», dice Margutti. «Era la più ricca dei ricchi».
La breve luminosità di Sn 2019ehk ci racconta altro, sulla sua natura. I ricercatori del Northwestern credono che la stella abbia espulso uno strato esterno di gas nei suoi ultimi giorni. Quando la stella è esplosa, il suo materiale è entrato in collisione con questo strato esterno producendo un brillante burst nei raggi X. «La luminosità ci dice quanto materiale la stella ha espulso e quanto quel materiale fosse vicino alla stella» spiega Jacobson-Galan. «In questo caso, la stella ha perso una piccolissima quantità di materiale proprio prima di esplodere. Quel materiale era ancora nelle vicinanze della stella».
Sebbene il telescopio spaziale Hubble abbia osservato M100 negli ultimi 25 anni, non ha mai registrato la stella responsabile di Sn 2019ehk – che stava vivendo le ultime fasi della sua evoluzione. I ricercatori hanno usato le immagini di Hubble per esaminare il sito della supernova prima dell’esplosione e scoprire così un altro indizio della vera natura della stella. «Probabilmente era una nana bianca o una stella di massa molto bassa», ha detto Jacobson-Galan. «In entrambe i casi, sarebbero state molto deboli».
«Senza questa esplosione, non ci saremmo mai accorti che lì c’era qualcosa», conclude Margutti. «Nemmeno Hubble avrebbe potuto vederla».
Per saperne di più:
- Leggi il preprint dell’articolo in uscita su The Astrophysical Journal “SN 2019ehk: A double-peaked Ca-rich transient with luminous X-ray emission and shock-ionized spectral features”, di Wynn V. Jacobson-Galán, Raffaella Margutti, Charles D. Kilpatrick, Daichi Hiramatsu, Hagai Perets, David Khatami, Ryan J. Foley, John Raymond, Sung-Chul Yoon, Alexey Bobrick, Yossef Zenati, Lluís Galbany, Jennifer Andrews, Peter J. Brown, Régis Cartier, Deanne L. Coppejans, Georgios Dimitriadis, Matthew Dobson, Aprajita Hajela, D. Andrew Howell, Hanindyo Kuncarayakti, Danny Milisavljevic, Mohammed Rahman, César Rojas-Bravo, David J. Sand, Joel Shepherd, Stephen J. Smartt, Holland Stacey, Michael Stroh, Jonathan J. Swift, Giacomo Terreran, Jozsef Vinko, Xiaofeng Wang, Joseph P. Anderson, Edward A. Baron, Edo Berger, Peter K. Blanchard, Jamison Burke, David A. Coulter, Lindsay DeMarchi, James M. DerKacy, Christoffer Fremling, Sebastian Gomez, Mariusz Gromadzki, Griffin Hosseinzadeh, Daniel Kasen, Levente Kriskovics, Curtis McCully, Tomás E. Müller-Bravo, Matt Nicholl, András Ordasi, Craig Pellegrino, Anthony L. Piro, András Pál, Juanjuan Ren, Armin Rest, R. Michael Rich, Hanna Sai, Krisztián Sárneczky, Ken J. Shen, Philip Short, Matthew Siebert, Candice Stauffer, Róbert Szakáts, Xinhan Zhang, Jujia Zhang e Kaicheng Zhang
Correzione del 7.8.2020: la reazione che produce calcio è ‘nucleare’, e non ‘chimica’ come inizialmente scritto.