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

Stel je het universum voor als een groots podium waar sterren hun laatste, explosieve akten uitvoeren. Normaal gesproken, wanneer een ster sterft, flitst hij helder en vervaagt hij daarna, gevoed door het radioactief verval van zijn eigen as. Maar soms levert een ster een show die zo verblindend helder is dat hij hele sterrenstelsels overstraalt. Dit zijn de "Superlichtsterke Supernovae" (SLSNe), de diva's van het kosmische podium.

Lange tijd waren astronomen in verwarring over een specifiek type van deze diva's: de waterstofrijke varianten (SLSNe-II). Ze zijn zo helder en zo langdurig dat de standaardverklaring van "radioactieve as" simpelweg niet volstaat. Het is alsof je probeert een stadion lichtshow aan te sturen met een enkele AA-batterij. De gebruikelijke verdachte voor deze extra kracht is een dikke mist van gas en stof die de ster omringt (Circumstellaire Materie, of CSM). Wanneer de explosie deze mist raakt, creëert dit een enorme schokgolf die het licht superkrachtig maakt.

Maar hier is het mysterie: die mist is zo dik dat hij de ware identiteit van de ster verbergt. Is het een massieve ster die in zichzelf implodeert? Of is het iets heel anders?

Maak kennis met twee nieuwe sterren in de show: SN 2017fck en SN 2019cmv.

Het "Superlineaire" Mysterie

De auteurs van dit artikel, onder leiding van Daichi Hiramatsu, keken nauwgezet naar de lichtcurves (de grafieken die laten zien hoe helder deze sterren worden in de loop van de tijd) van deze twee explosies. Ze merkten iets vreemds op. Na het bereiken van hun piekhelderheid, in plaats van snel te vervagen zoals een normale supernova, bleven deze twee twee extreem helder voor een zeer lange tijd, waarbij ze in een rechte, constante lijn vervaagden. De auteurs noemen dit een "superlineaire" afname.

Het is alsof je een zaklamp hebt aangezet, en in plaats van dat de batterij leegloopt, blijft hij maandenlang op volle helderheid, terwijl hij langzaam in een perfect rechte lijn dimt.

De "Ia-CSM" Connectie

Het team realiseerde zich dat deze twee vreemde sterren veel leken op een andere groep supernovae genaamd SNe Ia-CSM. Dit zijn Type Ia supernovae (die meestal voortkomen uit witte dwergen, de dichte, uitgebrande kernen van sterren) die toevallig botsen met een dikke schil van gas.

Om te testen of dit het echte verhaal was, bouwden de onderzoekers een gigantische digitale zandbak. Ze gebruikten een supercomputer om duizenden explosies te simuleren waarbij een witte dwerg (de Type Ia) tegen wolken van gas botst met verschillende vormen en dichtheden.

De Resultaten van de Simulatie:
De simulaties toonden aan dat als je een witte dwerg-explosie neemt en deze tegen een massieve schil van gas laat botsen (tussen 2 en 11 zonsmassa's aan materiaal), je precies de "superlineaire" lichtcurve krijgt die gezien werd bij 2017fck en 2019cmv.

• Voor SN 2017fck suggereren de simulaties dat het tegen een wolk botste die ongeveer 11 zonsmassa's woog.
• Voor SN 2019cmv was de wolk iets lichter, rond de 6 zonsmassa's.

Het artikel suggereert dat de beste pasvorm voor de vorm van de gaswolk een vorm was die minder dicht wordt naarmate men verder van het centrum af beweegt, volgens een specifieke wiskundige regel (proportioneel aan 1/r).

Wat dit betekent voor de "Cast"

Als deze simulaties kloppen, verandert dit het verhaal over hoe deze sterren stierven.

• De Oude Theorie: Dit waren massieve sterren (zoals 100 keer de massa van onze Zon) die instortten en explodeerden.
• De Nieuwe Suggestie: Dit waren waarschijnlijk witte dwergen (ter grootte van de Aarde maar even zwaar als de Zon) die deel uitmaakten van een binair systeem. Ze draaiden in een baan om een begeleidende ster (ofwel een massieve ster of een intermediaire ster).

Het artikel stelt een dramatisch scenario voor genaamd "common envelope evolution" (gemeenschappelijke omhulsel-evolutie). Stel je voor dat de witte dwerg en de begeleidende ster zo dicht bij elkaar komen dat de buitenste lagen van de begeleider de witte dwerg volledig opslokken. De witte dwerg spiraalt in deze gigantische gasbel, om uiteindelijk samen te smelten met de kern van de begeleider en een thermonucleaire explosie te triggeren. De explosie blaast vervolgens door de gigantische gasbel die net gecreëerd is, wat die enorme, heldere, langdurige show veroorzaakt.

Wat het Papier Uitsluit (en wat het Niet Doet)

De auteurs zijn voorzichtig om niet te zeggen dat ze het hele universum hebben opgelost.

• Ze sluiten niet uit dat dit massieve sterren zouden kunnen zijn die instorten, maar ze beargumenteren dat de specifieke "superlineaire" lichtcurve en de spectrale gelijkenissen met Type Ia-CSM de witte dwerg-oorsprong een zeer sterke kandidaat maken.
• Ze suggereren expliciet dat de onderliggende explosie thermonucleair is (zoals een Type Ia), en niet de kerninstorting van een massieve ster, gebaseerd op de ijzer-signaturen die ze in het licht zien en de manier waarop de lichtcurves zich gedragen.
• Ze beweren niet dat dit bewezen feit is voor elke enkele superlichtsterke supernova. Ze merken specifelijk op dat één beroemde ster, SN 2006gy, ook aan dit witte dwerg-model zou kunnen voldoen, maar dat dit zelfs meer gas vereist (rond de 13 tot 19 zonsmassa's), wat een beetje moeilijker te verklaren is met de huidige modellen.
• Ze geven toe dat het bewijs voor SN 2019cmv wat vager is omdat het licht langzamer vervaagde en meer leek op een massieve ster-explosie (IIn) dan op een Type Ia. Echter, het algemene patroon wijst nog steeds in de richting van het witte dwerg-scenario.

Het Oordeel

Het artikel suggereert dat SN 2017fck en SN 2019cmv waarschijnlijk het resultaat zijn van een witte dwerg die explodeert binnen een massieve, dichte wolk van gas, wat een "superlineaire" lichtshow creëert die honderden dagen duurt.

De auteurs schatten dat de gaswolken enorm waren: ~11 zonsmassa's voor 2017fck en ~6 zonsmassa's voor 2019cmv. Ze geloven dat dit gas waarschijnlijk werd gecreëerd toen de twee sterren in het systeem verstrengeld raakten in een "common envelope" voordat de explosie plaatsvond.

Hoewel de simulaties prachtig overeenkomen met de observaties, concludeert het artikel dat dit een mogelijke oorsprong is. Het is een boeiend nieuw hoofdstuk in het verhaal over hoe sterren sterven, en suggereert dat sommige van de helderste explosies in het universum niet afkomstig zijn van instortende massieve sterren, maar van witte dwergen die tegen hun buren botsen en ontploffen in een wolk die ze zelf hebben gemaakt. Om absoluut zeker te zijn, zullen astronomen moeten wachten op de "nebulaire fase" (wanneer de gaswolk volledig is opgeklaard) om de chemische vingerafdrukken van de explosie te zien, wat jaren aan observatie kan kosten.