The fraction of periodic SN Ib/c light curves

Wenn ein massereicher Stern seinen Brennstoff aufgebraucht hat, kollabiert er und explodiert, wodurch ein brillantes Lichtfeuerwerk durch das Universum geschickt wird. Diese Explosionen, bekannt als Supernovae, gehören zu den energiereichsten Ereignissen in der Natur. Lange Zeit glaubten Astronomen, dass das Licht dieser Explosionen einfach in einer glatten, vorhersehbaren Kurve verblassen würde, wie eine Kerze, die abbrennt. Jüngste Beobachtungen haben jedoch gezeigt, dass einige dieser sterbenden Sterne nicht leise verblassen. Stattdessen schwankt ihre Helligkeit in einem regelmäßigen Muster auf und ab, während sie dunkler werden. Dieses rhythmische Pulsieren ist ein seltenes und rätselhaftes Phänomen. Es deutet darauf hin, dass der explodierende Stern nicht allein war; er hatte wahrscheinlich einen Begleitstern, der ihn umkreiste. Als die Explosion stattfand, könnte der neu entstandene, dichte Kern mit diesem Begleiter interagiert haben, was einen gravitativen Tauziehkampf verursachte, der das Licht pulsieren ließ. Das Verständnis darüber, wie oft dies geschieht, hilft Wissenschaftlern herauszufinden, wie viele Sterne in Paaren leben und wie sie sich entwickeln, bevor sie sterben.

Ein Forschungsteam am Weizmann Institute of Science beschloss, dieses Verhalten systematisch unter die Lupe zu nehmen. Sie wollten wissen, ob diese pulsierenden Explosionen nur ein paar seltsame Unfälle waren oder ob sie eine bedeutende Gruppe von Supernovae darstellten. Um dies herauszufinden, wandten sie sich an das Zwicky Transient Facility, ein leistungsstarkes Teleskop in Kalifornien, das den Himmel jede Nacht scannt und tausende sich verändernder Lichtquellen erfasst. Das Team konzentrierte sich auf einen spezifischen Typ von Supernova, den Typ Ib oder Ic. Dies sind die Explosionen von Sternen, die bereits ihre äußeren Schichten aus Wasserstoff und Helium verloren haben, oft weil ein Begleitstern sie vor der Explosion abgetragen hat. Die Forscher sammelten Lichtkurven – Aufzeichnungen darüber, wie hell diese Sterne im Laufe der Zeit erscheinen – für vierunddreißig verschiedene Kandidaten. Sie benötigten hochwertige Daten mit ausreichend vielen Messungen, um ein Muster erkennen zu können, daher wählten sie nur jene Ereignisse aus, bei denen das Teleskop den Stern über einen ausreichenden Zeitraum beobachtet und genügend Bilder aufgenommen hatte.

Um die verborgenen Rhythmen in den Daten zu finden, entwickelte das Team eine neue Computermethode, die sorgfältiger war als bisherige Versuche. Anstatt zuerst das allgemeine Verblassen des Sterns zu glätten und dann nach den Wiggles (Wellenbewegungen) in den Resten zu suchen, behandelte ihre Methode das Verblassen und das Pulsieren als ein einziges, zusammenhängendes Problem. Sie passten eine mathematische Kurve an den allgemeinen Rückgang des Lichts an und testeten gleichzeitig nach einem sich wiederholenden Wellenmuster. Dieser Ansatz verhinderte, dass der Computer ein echtes Signal versehentlich versteckte, indem er es zu früh glättete. Sie wandten diesen strengen Test auf jede Lichtkurve in ihrer Stichprobe an und suchten nach jedem sich wiederholenden Zeitraum, der sich deutlich vom zufälligen Rauschen abhob. Sie legten einen sehr hohen Standard für das, was als Entdeckung galt, und verlangten, dass das Muster in zwei verschiedenen Farben des Lichts, die das Teleskop beobachtete, deutlich erscheint, um sicherzustellen, dass das Signal echt und nicht nur ein Fehler in den Daten war.

Die Suche lieferte drei klare Ergebnisse. Zwei davon waren Sterne, die bereits von anderen Astronomen als pulsierend identifiziert worden waren: SN 2022jli und SN 2022esa. Die Methode des Teams konnte die bekannten Muster in diesen Sternen erfolgreich wiederherstellen, was bestätigte, dass ihr neuer Ansatz funktionierte. SN 2022jli zeigte einen Puls von etwa zwölf Tagen, während SN 2022esa etwa alle vierunddreißig Tage pulsierte. Aber die aufregendste Entdeckung war ein dritter Stern, SN 2020sgf, der zuvor nicht als periodischer Kandidat markiert worden war. Dieser Stern, der im Jahr 2020 explodierte, zeigte ein klares, sich wiederholendes Muster von etwa dreißig Tagen in einer Farbe des Lichts und etwa sechsunddreißig Tagen in einer anderen. Obwohl sich das genaue Timing zwischen den beiden Farben leicht unterschied, war der Unterschied klein genug, um mit demselben zugrunde liegenden Rhythmus vereinbar zu sein. Diese Entdeckung fügte einem kleinen Club pulsierender Supernovae ein neues Mitglied hinzu.

Um zu verstehen, was diese drei Entdeckungen für die breitere Population explodierender Sterne bedeuteten, mussten die Forscher die Einschränkungen ihrer Suche berücksichtigen. Sie erkannten, dass ihr Teleskop nicht jeden möglichen Rhythmus sehen konnte. Wenn ein Stern sehr langsam pulsierte oder wenn der Puls sehr schwach war, könnte das Teleskop ihn völlig übersehen haben, insbesondere wenn der Stern zu schnell verblasste oder während eines Teils des Jahres durch das Licht der Sonne verdeckt wurde. Um diese blinden Flecken zu messen, führten sie tausende Computersimulationen durch. Sie nahmen die tatsächlichen Daten von ihren vierunddreißig Sternen und fügten heimlich gefälschte Pulsationssignale unterschiedlicher Stärke und Geschwindigkeit hinzu. Dann ließen sie ihre Erkennungsmethode auf diesen modifizierten Daten laufen, um zu sehen, wie oft sie die gefälschten Signale fand. Dieser Prozess erstellte eine Karte ihrer Sensitivität, die genau zeigte, welche Arten von pulsierenden Sternen sie erfassen konnten und welche sie wahrscheinlich übersehen würden.

Mit dieser Sensitivitätskarte in der Hand verglich das Team ihre Ergebnisse mit theoretischen Modellen darüber, wie sich Sterne in Doppelsternsystemen verhalten. Diese Modelle sagen voraus, dass ein gewisser Prozentsatz der gestreiften-Hüllenen-Supernovae (stripped-envelope supernovae) aufgrund von Interaktionen mit einem Begleiter dieses pulsierende Verhalten zeigen sollte. Die Forscher fanden heraus, dass, falls nur ein winziger Bruchteil dieser Sterne pulsierte, es sehr unwahrscheinlich gewesen wäre, drei von ihnen in ihrer Stichprobe zu finden. Die Tatsache, dass sie drei fanden, deutet darauf hin, dass die wahre Zahl höher ist. Ihre Analyse zeigt, dass Modelle, die vorhersagen, dass etwa zwanzig Prozent dieser Supernovae periodisch sind, mit ihren Beobachtungen übereinstimmen. Dies bedeutet, dass diese rhythmischen Explosionen keine außergewöhnlich seltenen Kuriositäten sind. Stattdessen stellen sie wahrscheinlich eine bedeutende Untergruppe sterbender Sterne dar, vielleicht einen von fünf, die in den letzten Momenten ihres Lebens mit einem Begleiter interagieren.

Die Studie hob auch die Bedeutung hervor, die Daten mit frischen Augen zu betrachten. Die Forscher merkten an, dass zwei der gefundenen Perioden nahe am 29,5-tägigen Zyklus des Mondes lagen. Während das Mondlicht manchmal künstliche Muster in Teleskopdaten erzeugen kann, fanden die Forscher keine Beweise dafür, dass ihre Entdeckungen durch diesen Effekt verursacht wurden. Die Signale waren stark und konsistent über verschiedene Farben des Lichts hinweg, was auf eine physikalische Ursache innerhalb der Sterne selbst hindeutete. Die Arbeit zeigt, dass man mit den richtigen Werkzeugen und einer ausreichend großen Stichprobe über das Studium einzelner seltsamer Objekte hinausgehen kann, um die breitere Population zu verstehen. Die Entdeckung von SN 2020sgf zusammen mit der Bestätigung der anderen legt nahe, dass das Universum voll von diesen binären Interaktionen ist, die darauf warten, von der nächsten Generation von Himmelssuchen gefunden zu werden.