The fraction of periodic SN Ib/c light curves

Wanneer een massieve ster zonder brandstof komt te zitten, stort deze in en explodeert, wat een briljante lichtflits door het universum stuurt. Deze explosies, bekend als supernova's, behoren tot de meest energetische gebeurtenissen in de natuur. Lange tijd geloofden astronomen dat het licht van deze explosies simpelweg op een gladde, voorspelbare curve zou vervagen, zoals een kaars die opbrandt. Recente waarnemingen hebben echter onthuld dat sommige van deze stervende sterren niet stilzwijgend vervagen. In plaats daarvan schommelt hun helderheid in een regelmatige patronen terwijl ze dimmen. Dit ritmische pulseren is een zeldzaam en raadselachtig fenomeen. Het suggereert dat de exploderende ster niet alleen was; het had waarschijnlijk een begeleidende ster die eromheen draaide. Terwijl de explosie plaatsvond, zou de nieuwe, dichte kern die achterbleef met deze begeleider kunnen hebben geïnteracteerd, wat een gravitationele touwtrekkerij veroorzaakte die het licht liet pulseren. Begrijpen hoe vaak dit gebeurt, helpt wetenschappers te bepalen hoeveel sterren in paren leven en hoe zij evolueren voordat ze sterven.

Een team onderzoekers van het Weizmann Institute of Science besloot systematisch naar dit gedrag te kijken. Ze wilden weten of deze pulserende explosies slechts een paar vreemde ongelukjes waren of dat ze een significante groep supernova's vertegenwoordigden. Om dit te ontdekken, maakten ze gebruik van de Zwicky Transient Facility, een krachtige telescoop in Californië die elke nacht de hemel scant en duizenden veranderende lichtbronnen vastlegt. Het team richtte zich op een specifiek type supernova genaamd Type Ib of Ic. Dit zijn de explosies van sterren die al hun buitenste lagen van waterstof en helium hebben verloren, vaak omdat een begeleidende ster deze eraf heeft gestript voordat de explosie plaatsvond. De onderzoekers verzamelden lichtcurves, die de registraties zijn van hoe helder deze sterren verschijnen over de tijd, voor vierendertig verschillende kandidaten. Ze hadden kwalitatief hoogwaardige gegevens nodig met voldoende metingen om een patroon te kunnen herkennen, dus selecteerden ze alleen die gebeurtenissen waarbij de telescoop de ster gedurende een voldoende lange tijd had gevolgd en genoeg foto's had gemaakt.

Om de verborgen ritmes in de gegevens te vinden, ontwikkelde het team een nieuwe computermethode die zorgvuldiger was dan eerdere pogingen. In plaats van eerst het algemene vervagen van de ster glad te strijken en vervolgens te zoeken naar de wieltjes in de restwaarden, behandelde hun methode het vervagen en de wieltjes als één verbonden probleem. Ze pasten een wiskundige curve toe op de algehele afname van het licht, terwijl ze tegelijkertijd zochten naar een herhalend golfpatroon. Deze aanpak voorkwam dat de computer per ongeluk een echt signaal zou verbergen door het te vroeg glad te strijken. Ze pasten deze rigoureuze test toe op elke lichtcurve in hun steekproef, waarbij ze zochten naar elk periode van herhaling dat duidelijk afstak tegen de willekeurige ruis. Ze hanteerden een zeer hoge standaard voor wat als een ontdekking telde, waarbij ze vereisten dat het patroon duidelijk verscheen in twee verschillende kleuren licht die door de telescoop werden waargenomen, om te garanderen dat het signaal echt was en niet slechts een foutje in de gegevens.

De zoektocht leverde drie duidelijke resultaten op. Twee daarvan waren sterren die al door andere astronomen waren geïdentificeerd als zijnde met dit pulserende gedrag: SN 2022jli en SN 2022esa. De methode van het team slaagde erin de bekende patronen in deze sterren te herstellen, wat bevestigde dat hun nieuwe aanpak werkte. SN 2022jli vertoonde een puls van ongeveer elke twaalf dagen, terwijl SN 2022esa pulseerde ongeveer elke vierendertig dagen. Maar de meest opwindende vondst was een derde ster, SN 2020sgf, die niet eerder als een periodieke kandidaat was gemarkeerd. Deze ster, die in 2020 explodeerde, vertoonde een duidelijk, herhalend patroon van ongeveer dertig dagen in één kleur licht en ongeveer zesendertig dagen in een andere kleur. Hoewel de exacte timing tussen de twee kleuren lichtelijk verschilde, was het verschil klein genoeg om consistent te zijn met hetzelfde onderliggende ritme. Deze ontdekking voegde een nieuw lid toe aan de kleine club van pulserende supernova's.

Om te begrijpen wat deze drie ontdekkingen betekenden voor de bredere populatie van exploderende sterren, moesten de onderzoekers rekening houden met de beperkingen van hun zoektocht. Ze realiseerden zich dat hun telescoop niet elk mogelijk ritme kon zien. Als een ster zeer langzaam pulseerde, of als de puls erg zwak was, zou de telescoop dit geheel kunnen missen, vooral als de ster te snel vervaagde of verborgen werd door de schittering van de zon gedurende een deel van het jaar. Om deze blinde vlek te meten, voerden ze duizenden computersimulaties uit. Ze namen de werkelijke gegevens van hun vierendertig sterren en voegden daar geheimmatig nep-pulserende signalen van verschillende sterktes en snelheden aan toe. Vervolgens draaiden ze hun detectiemethode op deze aangepaste gegevens om te zien hoe vaak ze de nep-signalen vonden. Dit proces creëerde een kaart van hun gevoeligheid, die precies liet zien welke typen pulserende sterren ze konden vangen en welke ze waarschijnlijk zouden missen.

Met deze gevoeligheidskaart in de hand vergeleken het team hun bevindingen met theoretische modellen van hoe sterren zich gedragen in binaire systemen. Deze modellen voorspellen dat een bepaald percentage van de 'stripped-envelope' supernova's dit pulserende gedrag zou vertonen door interacties met een begeleider. De onderzoekers ontdekten dat als slechts een minuscuul fractie van deze sterren zou pulseren, zij zeer onwaarschijnlijk drie van hen in hun steekproef zouden hebben gevonden. Het feit dat zij drie van hen vonden, suggereert dat het werkelijke aantal hoger ligt. Hun analyse geeft aan dat modellen die voorspellen dat ongeveer twintig procent van deze supernova's periodiek is, consistent zijn met hun waarnemingen. Dit betekent dat deze ritmische explosies geen uitzonderlijk zeldzame vreemdeheden zijn. In plaats daarvan vertegenwoordigen ze waarschijnlijk een substantiële subgroep van stervende sterren, misschien wel één op vijf, die interageren met een begeleider in de laatste momenten van hun leven.

De studie benadrukte ook het belang van het bekijken van de gegevens met een frisse blik. De onderzoekers merkten op dat twee van de gevonden periodes dicht bij de cyclus van vierentwintig en een halve dag van de maan lagen. Hoewel het licht van de maan soms valse patronen in telescoopgegevens kan creëren, vonden het team geen bewijs dat hun ontdekkingen door dit effect werden veroorzaakt. De signalen waren sterk en consistent over verschillende kleuren licht, wat wees op een fysieke oorzaak binnen de sterren zelf. Het werk toont aan dat met de juiste instrumenten en een grote genoeg steekproef, astronomen verder kunnen gaan dan het bestuderen van individuele vreemde objecten om de bredere populatie te begrijpen. De ontdekking van SN 2020sgf, samen met de bevestiging van de anderen, suggereert dat het universum vol zit met deze binaire interacties, wachtend om gevonden te worden door de volgende generatie hemelverkenningen.