The fraction of periodic SN Ib/c light curves

Quando una stella massiccia esaurisce il proprio combustibile, collassa ed esplode, inviando un lampo di luce brillante attraverso l'universo. Queste esplosioni, note come supernovae, sono tra gli eventi più energetici della natura. Per molto tempo, gli astronomi hanno creduto che la luce di queste esplosioni svanisse semplicemente in una curva fluida e prevedibile, come una candela che si consuma. Tuttavia, osservazioni recenti hanno rivelato che alcune di queste stelle morenti non svaniscono silenziosamente. Invece, la loro luminosità oscilla su e giù in un modello regolare mentre si affievolisce. Questo pulsare ritmico è un fenomeno raro e misterioso. Suggerisce che la stella che esplodeva non fosse sola; probabilmente aveva una stella compagna in orbita attorno a sé. Mentre l'esplosione avveniva, il nuovo e denso nucleo lasciato dietro potrebbe aver interagito con questa compagna, creando un tiro alla fune gravitazionale che ha causato il pulsare della luce. Comprendere quanto spesso ciò accada aiuta gli scienziati a capire quante stelle vivano in coppia e come si evolvano prima di morire.

Un team di ricercatori dell'Istituto di Scienza Weizmann ha deciso di dare un'occhiata sistematica a questo comportamento. Volevano sapere se queste esplosioni pulsanti fossero solo alcuni strani incidenti o se rappresentassero un gruppo significativo di supernovae. Per scoprirlo, si sono rivolti al Zwicky Transient Facility, un potente telescopio in California che scansiona il cielo ogni notte, catturando migliaia di sorgenti luminose variabili. Il team si è concentrato su un tipo specifico di supernova chiamato Tipo Ib o Ic. Queste sono le esplosioni di stelle che hanno già perso i loro strati esterni di idrogeno ed elio, spesso perché una stella compagna li ha rimossi prima dell'esplosione. I ricercatori hanno raccolto le curve di luce, ovvero i registri di quanto appaiano luminose queste stelle nel tempo, per trentantaquattro diversi candidati. Avevano bisogno di dati di alta qualità con abbastanza misurazioni per individuare un modello, quindi hanno selezionato solo quegli eventi in cui il telescopio aveva osservato la stella per un tempo sufficiente e aveva scattato abbastanza foto.

Per trovare i ritmi nascosti nei dati, il team ha costruito un nuovo metodo informatico che fosse più accurato rispetto ai tentativi precedenti. Invece di smussare prima l'affievolimento generale della stella e poi cercare le oscillazioni negli avanzi, il loro metodo trattava l'affievolimento e le oscillazioni come un problema unico e connesso. Hanno adattato una curva matematica al declino complessivo della luce mentre testavano simultaneamente un modello d'onda ripetitivo. Questo approccio ha impedito al computer di nascondere accidentalmente un segnale reale smussandolo troppo presto. Hanno applicato questo test rigoroso a ogni curva di luce nel loro campione, cercando qualsiasi periodo di ripetizione che si distinguesse chiaramente dal rumore casuale. Hanno stabilito uno standard molto alto per ciò che contasse come una scoperta, richiedendo che il modello apparisse chiaramente in due diversi colori di luce osservati dal telescopio, assicurando che il segnale fosse reale e non solo un errore nei dati.

La ricerca ha prodotto tre risultati chiari. Due di essi erano stelle che erano già state identificate da altri astronomi come dotate di questo comportamento pulsante: SN 2022jli e SN 2022esa. Il metodo del team ha recuperato con successo i modelli noti in queste stelle, confermando che il loro nuovo approccio funzionava. SN 2022jli mostrava un impulso circa ogni dodici giorni, mentre SN 2022esa pulsava circa ogni trentaquattro giorni. Ma la scoperta più eccitante è stata una terza stella, SN 2020sgf, che non era stata precedentemente segnalata come candidato periodico. Questa stella, che è esplosa nel 2020, mostrava un modello ripetitivo chiaro di circa trenta giorni in un colore di luce e di circa trentasei giorni in un altro. Sebbene la tempistica esatta differisse leggermente tra i due colori, la differenza era abbastanza piccola da essere coerente con lo stesso ritmo sottostante. Questa scoperta ha aggiunto un nuovo membro al piccolo club delle supernovae pulsanti.

Per capire cosa significassero queste tre scoperte per la popolazione più ampia di stelle esplodenti, i ricercatori hanno dovuto tenere conto dei limiti della loro ricerca. Si sono resi conto che il loro telescopio non poteva vedere ogni possibile ritmo. Se una stella pulsava molto lentamente, o se il impulso era molto debole, il telescopio avrebbe potuto mancarla completamente, specialmente se la stella svaniva troppo velocemente o era nascosta dal bagliore del sole per parte dell'anno. Per misurare questo punto cieco, hanno eseguito migliaia di simulazioni al computer. Hanno preso i dati reali delle loro trentantaquattro stelle e hanno aggiunto segretamente falsi segnali pulsanti di diversa intensità e velocità. Poi, hanno eseguito il loro metodo di rilevamento su questi dati modificati per vedere quanto spesso trovassero i falsi segnali. Questo processo ha creato una mappa della loro sensibilità, mostrando esattamente quali tipi di stelle pulsanti potevano catturare e quali avrebbero probabilmente mancato.

Con questa mappa di sensibilità in mano, il team ha confrontato i propri risultati con i modelli teorici di come si comportano le stelle nei sistemi binari. Questi modelli prevedono che una certa percentuale di supernovae a involucro rimosso (stripped-envelope) dovrebbe mostrare questo comportamento pulsante a causa delle interazioni con una compagna. I ricercatori hanno scoperto che se solo una minima frazione di queste stelle fosse stata pulsante, sarebbero stati molto improbabili nel trovare tre di esse nel loro campione. Il fatto che ne abbiano trovate tre suggerisce che il numero reale sia più alto. La loro analisi indica che i modelli che prevedono che circa il venti per cento di queste supernovae siano periodiche sono coerenti con le loro osservazioni. Ciò significa che queste esplosioni ritmiche non sono stranezze eccezionali. Invece, rappresentano probabilmente un sottogruppo sostanziale di stelle morenti, forse una su cinque, che interagiscono con una compagna negli ultimi momenti della loro vita.

Lo studio ha anche sottolineato l'importanza di guardare i dati con occhi nuovi. I ricercatori hanno notato che due dei periodi trovati erano vicini al ciclo di ventinove giorni e mezzo della luna. Sebbene la luce lunare possa talvolta creare falsi modelli nei dati del telescopio, il team non ha trovato prove che le loro scoperte fossero causate da questo effetto. I segnali erano forti e coerenti attraverso diversi colori di luce, puntando a una causa fisica all'interno delle stelle stesse. Il lavoro dimostra che con gli strumenti giusti e un campione sufficientemente ampio, gli astronomi possono andare oltre lo studio di singoli oggetti strani per comprendere la popolazione più ampia. La scoperta di SN 2020sgf, insieme alla conferma degli altri, suggerisce che l'universo è pieno di queste interazioni binarie, in attesa di essere trovate dalla prossima generazione di indagini del cielo.