ESPLOSIONE TERMONUCLEARE IN UN DENSO AMBIENTE CIRCUMSTELLARE

Il lampo ottico più veloce da una supernova Ia

Grazie alle osservazioni effettuate con la fotocamera giapponese Tomo-e Gozen, un team di astronomi ha scoperto il lampo ottico più veloce mai osservato in una supernova di tipo Ia, la cui origine sembra essere legata all’interazione tra il materiale espulso dalla supernova e il materiale circumstellare denso confinato in seguito all’esplosione. Tutti i dettagli su ApJ Letters

     13/12/2021
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Impressione artistica dell’energia rilasciata nell’interazione tra un Csm confinato (simile a un toro) e il materiale espulso da una supernova subito dopo l’esplosione della nana bianca. Crediti: Osservatorio di Kiso, Università di Tokyo

Molte stelle terminano la loro vita con spettacolari esplosioni. La maggior parte delle stelle massicce esplode come una supernova. Sebbene una nana bianca sia il residuo di una stella di massa intermedia come il Sole, può anch’essa esplodere se fa parte di un sistema stellare binario stretto, in cui due stelle orbitano l’una intorno all’altra. Anche in questo caso si parla di supernova, in particolare di supernova di tipo Ia.

Per via della loro luminosità uniforme ed estremamente elevata – sono circa 5 miliardi di volte più luminose del Sole – le supernove Ia sono largamente utilizzate come candele standard per la misurazione delle distanze in astronomia. Ad esempio, hanno aiutato i ricercatori a scoprire l’espansione accelerata dell’universo. Ma nonostante la loro notorietà e il grande successo in cosmologia, gli scienziati hanno ancora qualche dubbio sui loro sistemi progenitori e su come vengano innescate le esplosioni.

Per contribuire a dipanare questi dubbi, un team di astronomi guidato dal ricercatore del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli Ipmu) Ji-an Jiang, ha tentato di “catturare” le supernove di tipo Ia entro un giorno dalle esplosioni – in quella che viene chiamata “prima fase” – utilizzando strumenti di rilevamento ad ampio campo di vista di nuova generazione, tra cui la fotocamera Tomo-e Gozen, il primo imager al mondo con sensore Cmos a mosaico ad ampio campo.

Pannelli in alto: le prime osservazioni di tre notti di una peculiare supernova di tipo Ia, Tomo-e202004aaelb (SN 2020hvf), con la Tomo-e Gozen Camera. Pannelli in basso: curve di luce schematizzare di Tomo-e202004aaelb (i cerchi verdi indicano gli stadi in cui si trovava la supernova durante le corrispondenti osservazioni del pannello superiore). Crediti: Kavli Ipmu, Università di Tokyo

Controllando regolarmente i candidati di prima fase di supernova scoperti dalla survey sui transitori di Tomo-e, un transitorio in particolare – Tomo-e202004aaelb – ha attirato l’attenzione di Jiang. «Tomo-e202004aaelb è stato scoperto il 21 aprile del 2020 con una luminosità elevata. Sorprendentemente, nei due giorni successivi la sua luminosità ha mostrato variazioni significative, per poi comportarsi come una normale supernova di tipo Ia in fase iniziale. Abbiamo scoperto diverse supernove di tipo Ia in fase iniziale che mostrano un’interessante eccesso di emissione nei primi giorni delle loro esplosioni ma non avevamo mai visto un’emissione precoce così veloce e importante nelle lunghezze d’onda ottiche. Grazie alla modalità di rilevamento ad alta cadenza e alle eccellenti prestazioni di Tomo-e Gozen, per la prima volta abbiamo potuto catturare perfettamente questa straordinaria caratteristica. Un lampo immediato così rapido dovrebbe avere un’origine diversa rispetto alle supernove di tipo Ia caratterizzate da un eccesso precoce scoperte in precedenza», spiega Jiang.

Le simulazioni di Keiichi Maeda dell’Università di Kyoto hanno mostrato che l’origine del misterioso lampo ottico veloce può essere spiegata dall’energia rilasciata da un’interazione tra il materiale espulso dalla supernova e il materiale circumstellare denso confinato (Csm) subito dopo l’esplosione della supernova.

«Non avevamo mai visto un lampo così breve e luminoso nelle supernove di tipo Ia, anche tenendo conto del numero crescente di scoperte di lampi subito dopo l’esplosione della supernova avvenute negli ultimi anni, comprese quelle scoperte dal nostro team. La natura del Csm deve riflettere la natura della stella progenitrice, e quindi questa è una chiave per capire che tipo di stella esplode e come lo fa. La domanda è cosa rende questa supernova così speciale», afferma Maeda.

Attraverso le osservazioni spettroscopiche del telescopio Seimei dell’Università di Kyoto, il team ha scoperto che la supernova in oggetto è una variante delle supernove di tipo Ia più luminose. «Dal primo sguardo allo spettro ottenuto subito dopo il lampo iniziale, si è visto che era qualcosa di diverso dalle normali supernove. Abbiamo notato che poteva assomigliare a una classe più brillante di supernove di tipo Ia se osservate in una fase così precoce. La nostra classificazione è stata successivamente confermata poiché gli spettri si evolvono sembrando sempre più simili a quelli delle brillanti supernove di tipo Ia precedentemente trovate», sostiene Miho Kawabata dell’Università di Kyoto.

Fotocamera Tomo-e Gozen: fotocamera Cmos ad ampio campo che copre 20 gradi quadrati di cielo. Crediti: Tomo-e Gozen / University of Tokyo

Il risultato del team mostra che almeno una frazione delle supernove di tipo Ia proviene da un ambiente denso Csm, che fornisce un vincolo rigoroso al sistema progenitore di questi fenomeni spettacolari. Dato che Tomo-e202004aaelb (SN 2020hvf) è molto più luminosa delle tipiche supernove di tipo Ia utilizzate come indicatore di distanza, la scoperta consentirà a Jiang e ai suoi collaboratori di testare varie teorie che sono state proposte per queste particolari supernove di tipo Ia eccezionalmente luminose.

«In precedenza, abbiamo costruito modelli teorici di nane bianche rotanti di massa super-Chandrasekhar e delle loro esplosioni. Tali modelli massicci possono essere coerenti con la luminosità di picco di SN 2020hvf, ma è necessario più lavoro teorico per spiegare le dettagliate proprietà osservate. SN 2020hvf ha fornito una meravigliosa opportunità di collaborazione tra teoria e osservazioni» afferma Ken’ichi Nomoto.

Il team di Jiang continuerà a cercare la risposta all’annoso problema dell’origine delle supernove di tipo Ia effettuando rilevamenti con telescopi in tutto il mondo. «Abbiamo usato le supernove di tipo Ia per misurare l’espansione dell’universo, sebbene le loro origini non siano ben comprese. La fotometria della prima fase delle supernove di tipo Ia fornisce informazioni uniche per comprendere le loro origini e quindi dovrebbe contribuire a misurazioni più accurate dell’espansione dell’universo nel prossimo futuro», conclude Mamoru Doi dell’Università di Tokyo.

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