Superlinear Type II Superluminous Supernovae 2017fck and 2019cmv: A Possible Origin from Interacting Thermonuclear Supernovae

Stellen Sie sich das Universum als eine große Bühne vor, auf der Sterne ihre finalen, explosiven Akte aufführen. Normalerweise, wenn ein Stern stirbt, blitzt er hell auf und verblasst dann, angetrieben durch den radioaktiven Zerfall seiner eigenen Asche. Aber manchmal liefert ein Stern eine Show ab, die so blendend hell ist, dass sie ganze Galaxien überstrahlt. Dies sind die „superleuchtkräftigen Supernovae“ (SLSNe), die Divas der kosmischen Bühne.

Lange Zeit waren Astronomen über einen speziellen Typ dieser Divas rätselhaft: die wasserstoffreichen (SLSNe-II). Sie sind so hell und so langanhaltend, dass die Standarderklärung der „radioaktiven Asche“ einfach nicht ausreicht. Es ist, als würde man versuchen, eine Stadion-Lichtshow mit einer einzelnen AA-Batterie zu betreiben. Der übliche Verdächtige für diese zusätzliche Energie ist ein dicker Nebel aus Gas und Staub, der den Stern umgibt (genannt zirkumstellare Materie oder CSM). Wenn die Explosion auf diesen Nebel trifft, erzeugt sie eine massive Schockwelle, die das Licht extrem verstärkt.

Aber hier liegt das Mysterium: Dieser Nebel ist so dicht, dass er die wahre Identität des Sterns verbirgt. Ist es ein massereicher Stern, der in sich zusammenstürzt? Oder ist es etwas ganz anderes?

Hier treten zwei neue Stars in der Show auf: SN 2017fck und SN 2019cmv.

Das „superlineare“ Rätsel

Die Autoren dieser Arbeit, unter der Leitung von Daichi Hiramatsu, untersuchten die Lichtkurven (die Graphen, die zeigen, wie hell diese Sterne über die Zeit werden) dieser beiden Explosionen sehr genau. Sie bemerkten etwas Seltsames. Nachdem sie ihre maximale Helligkeit erreicht hatten, verblassten sie nicht schnell wie eine normale Supernova, sondern blieben für eine sehr lange Zeit unglaublich hell und fielen in einer geraden, stetigen Linie ab. Die Autoren nennen dies einen „superlinearen“ Abfall.

Es ist, als hätte man eine Taschenlampe eingeschaltet, und anstatt dass die Batterie leer wird, blieb sie monatelang auf voller Hlichkeit und dimmte langsam in einer perfekt geraden Linie.

Die „Ia-CSM“-Verbindung

Das Team stellte fest, dass diese beiden seltsamen Sterne einer anderen Gruppe von Supernovae ähneln, den SNe Ia-CSM. Dies sind Typ-Ia-Supernovae (die normalerweise von Weißen Zwergen stammen, den dichten, ausgebrannten Kernen von Sternen), die zufällig in eine dichte Gasschale krachen.

Um zu testen, ob dies die wahre Geschichte ist, bauten die Forscher einen riesigen digitalen Sandkasten. Sie nutzten einen Supercomputer, um Tausende von Explosionen zu simulieren, bei denen ein Weißer Zwerg (der Typ Ia) in Wolken aus Gas mit unterschiedlichen Formen und Dichten kracht.

Die Simulationsergebnisse:
Die Simulationen zeigten, dass man, wenn man eine Weiße-Zwerg-Explosion in eine massive Gasschale (zwischen 2 und 11 Sonnenmassen an Material) krachen lässt, genau die „superlineare“ Lichtkurve erhält, die bei 2017fck und 2019cmv beobachtet wurde.

• Für SN 2017fck legen die Simulationen nahe, dass es in eine Wolke mit einer Masse von etwa 11 Sonnenmassen krachte.
• Für SN 2019cmv war die Wolke etwas leichter, etwa 6 Sonnenmassen.

Die Arbeit legt nahe, dass die beste Übereinstimmung für die Form der Gaswolke eine war, die nach außen hin weniger dicht wird und einer spezifischen mathematischen Regel folgt (proportional zu 1/r).

Was das für die „Besetzung“ bedeutet

Wenn diese Simulationen richtig sind, ändert das die Geschichte darüber, wie diese Sterne starben.

• Die alte Theorie: Dies waren massereiche Sterne (wie das 100-fache unserer Sonne), die kollabierten und explodierten.
• Der neue Vorschlag: Dies waren wahrscheinlich Weiße Zwerge (von der Größe der Erde, aber so schwer wie die Sonne), die Teil eines Doppelsternsystems waren. Sie umkreisten einen Begleitstern (entweder einen massereichen Stern oder einen mittelschweren).

Die Arbeit schlägt ein dramatisches Szenario vor, die sogenannte „Common-Envelope-Evolution“ (Gemeinsame-Hülle-Entwicklung). Stellen Sie sich vor, der Weiße Zwerg und der Begleiter kommen sich so nah, dass die äußeren Schichten des Begleiters den Weißen Zwerg vollständig verschlucken. Der Weiße Zwerg spiralisiert in diese riesige Gasblase hinein, verschmilzt schließlich mit dem Kern des Begleiters und löst dadurch eine thermonukleare Explosion aus. Die Explosion sprengt dann die riesige Gasblase, die gerade erst geschaffen wurde, und erzeugt diese massive, helle, langanhaltende Show.

Was das Papier ausschließt (und was nicht)

Die Autoren sind vorsichtig damit zu sagen, dass sie das gesamte Universum erklärt haben.

• Sie schließen nicht aus, dass dies massereiche Sterne sein könnten, die kollabieren, aber sie argumentieren, dass die spezifische „superlineare“ Lichtkurve und die spektralen Ähnlichkeiten mit Typ Ia-CSM den Ursprung durch einen Weißen Zwerg zu einem sehr starken Kandidaten machen.
• Sie schlagen explizit vor, dass die zugrunde liegende Explosion thermonuklear ist (wie eine Typ Ia) und nicht der Kernkollaps eines massereichen Sterns, basierend auf den Eisen-Signaturen, die sie im Licht sehen, und der Art und Weise, wie die Lichtkurven verlaufen.
• Sie behaupten nicht, dass dies bewiesene Tatsache für jede einzelne superleuchtkräftige Supernova ist. Sie merken spezifisch an, dass ein berühmter Stern, SN 2006gy, ebenfalls zu diesem Weißen-Zwerg-Modell passen könnte, aber er erfordert noch mehr Gas (etwa 13 bis 19 Sonnenmassen), was mit aktuellen Modellen etwas schwerer zu erklären ist.
• Sie geben zu, dass die Beweise für SN 2019cmv etwas unschärfer sind, da sein Licht langsamer verblasste und eher wie eine massereiche Sternexplosion (IIn) aussah als wie eine Typ Ia. Das Gesamtmuster deutet jedoch immer noch auf das Weiße-Zwerg-Szenario hin.

Das Urteil

Das Paper legt nahe, dass SN 2017fck und SN 2019cmv wahrscheinlich das Ergebnis eines Weißen Zwergs sind, der in einer massiven, dichten Gaswolke explodiert ist und so eine „superlineare“ Lichtshow erzeugt hat, die über hunderte von Tagen anhielt.

Die Autoren schätzen die Gaswolken als riesig ein: ~11 Sonnenmassen für 2017fck und ~6 Sonnenmassen für 2019cmv. Sie glauben, dass dieses Gas wahrscheinlich entstand, als sich die beiden Sterne in einem System in eine „gemeinsame Hülle“ verwickelten, bevor die Explosion stattfand.

Obwohl die Simulationen die Beobachtungen wunderbar ergänzen, kommt das Paper zu dem Schluss, dass dies ein möglicher Ursprung ist. Es ist ein fesselndes neues Kapitel in der Geschichte darüber, wie Sterne sterben, und deutet darauf, dass einige der hellsten Explosionen im Universum nicht von kollabierenden massereichen Sternen stammen, sondern von Weißen Zwergen, die in ihre Nachbarn krachen und in einer Wolke aus ihrer eigenen Schöpfung explodieren. Um absolut sicher zu sein, müssen Astronomen auf die „Nebuläre Phase“ warten (wenn sich das Gas vollständig aufgelöst hat), um die chemischen Fingerabdrücke der Explosion zu sehen, was Jahre an Beobachtung dauern kann.