Gli astronomi potrebbero aver scoperto uno degli esempi più chiari finora di una rara supernova da “instabilità di coppia”. Si tratta di un’esplosione catastrofica che si ritiene distrugga completamente alcune delle stelle più massicce dell’universo, senza lasciare traccia. L’articolo che descrive le proprietà di questa rara esplosione è stato pubblicato sul server di preprint arXiv il 15 maggio.

L’evento, denominato SN 2023vbw, è stato rilevato per la prima volta dallo Zwicky Transient Facility nell’ottobre del 2023, alla periferia di una piccola galassia nana povera di metalli, a circa 1,3 miliardi di anni luce di distanza. È stato provvisoriamente classificato come una supernova di tipo II, ovvero il tipo di supernova prodotta quando una stella massiccia esaurisce il suo combustibile nucleare, collassa sotto l’effetto della gravità ed esplode. Tuttavia, diverse sue caratteristiche non si adattavano a tale descrizione.

Un valore anomalo

In un nuovo studio, gli astronomi hanno condotto osservazioni dettagliate e modellizzazioni di SN 2023vbw per definirne la vera natura. Il primo indizio che qualcosa di insolito stesse accadendo è emerso dalla sua curva di luce, ovvero da come la sua luminosità variava nel tempo. Invece del tipico aumento a plateau di una supernova di tipo II, dopo una fase iniziale di raffreddamento, SN 2023vbw è aumentata costantemente fino a raggiungere un picco di luminosità intorno ai 190 giorni.

Ha inoltre mostrato un rapido declino della sua luminosità da 190 giorni a 230 giorni. Dopo l’affievolimento, la curva dell’esplosione si è stabilizzata su un plateau in lento declino chiamato “coda”. L’energia totale irradiata, circa 3 × 10 ⁵⁰ erg, è più di dieci volte maggiore di una normale supernova di tipo II.

Durante la fase di ascesa, l’esplosione si è stabilizzata a una temperatura pressoché costante, mentre il suo guscio esterno ha continuato ad espandersi. Questo comportamento richiede una fonte di riscaldamento interna ampia e continua, a differenza delle tipiche supernove di tipo II.

Con l’affievolirsi della supernova, iniziarono a emergere linee di emissione proibite e, nella fase di coda, le linee dell’idrogeno svilupparono un profilo multicomponente con una componente spostata verso il rosso, indicando che il materiale espulso interagiva con un guscio di materiale a forma di disco che la stella aveva perso prima di morire.

Un colpevole “blu”

La modellizzazione della curva di luce ha suggerito che l’esplosione ha probabilmente avuto origine da una straordinaria stella supergigante blu. La morfologia della curva di luce assomiglia molto a quella di SN 1987A, una supernova di tipo II che ha avuto origine anch’essa da una supergigante blu compatta. Tuttavia, SN 2023vbw presenta una luminosità significativamente maggiore e una scala temporale più lunga, il che indica un progenitore di massa ben superiore.

La massa del materiale espulso è stimata tra 170 e 350 masse solari, e l’energia cinetica dell’esplosione è risultata da 60 a 130 volte superiore all’energia massima che una normale supernova a collasso del nucleo di ferro può produrre.

La bassa metallicità dell’ambiente ospite, pari a circa un decimo di quella del Sole, rientra nelle previsioni teoriche per le supernove a instabilità di coppia.

Il team ipotizza inoltre che la stella supergigante blu possa essersi formata attraverso la fusione di due stelle massicce in un sistema binario. Questo meccanismo di formazione spiegherebbe naturalmente il denso guscio di materiale a forma di disco con cui il materiale espulso ha interagito.

Tuttavia, il team spiega nel proprio articolo che permangono notevoli incertezze: non è ancora chiaro se le stelle molto massicce terminino la loro vita come supergiganti rosse o blu, e in quale momento preciso della loro esistenza si verificherebbe una tale fusione.

Autodistruzione

Le supernove da instabilità di coppia si verificano in stelle così massicce che le temperature estreme nei loro nuclei provocano la produzione di coppie elettrone-positrone. Questo elimina la pressione di radiazione che sostiene la stella contro l’attrazione gravitazionale verso l’interno, innescando un’esplosione termonucleare incontrollata così violenta da consumare l’intera stella. Di conseguenza, non ci si aspetta che rimanga alcuna stella di neutroni o buco nero.

Si prevede che le stelle con masse iniziali comprese tra circa 140 e 260 masse solari e bassa metallicità siano destinate a questa fine, e le proprietà modellate di SN 2023vbw rientrano perfettamente in questo intervallo.

Poiché si trova a breve distanza da noi, “SN 2023vbw rimane sufficientemente luminosa per consentire continue osservazioni multi-lunghezza d’onda che riveleranno la storia della perdita di massa del suo progenitore e la nucleosintesi esplosiva”, scrive il team.

Il team osserva che le prossime indagini condotte con l’ Osservatorio Vera Rubin e il Telescopio Spaziale Nancy Grace Roman dovrebbero individuare da decine a centinaia di questi eventi, mettendo finalmente in luce la morte e l’evoluzione delle stelle più massicce dell’universo.

L’origine dell’instabilità di coppia della supernova 2023vbw

Stelle nelle gamme di massa del nucleo iniziale e di carbonio-ossigeno di   E   M    , rispettivamente, con bassa metallicità si prevede che sperimentino una copiosa produzione di coppie elettrone-positrone nei loro nuclei, portando a un’esplosione termonucleare incontrollata che oblitera l’intera stella in una luminosa e lunga esplosione di supernova con instabilità di coppia. Alcune supernove precedenti sono state interpretate in questo contesto ma mancano dell’intera gamma di proprietà previste. Qui, riportiamo osservazioni dettagliate e modellizzazione della supernova ricca di idrogeno 2023vbw, che è esplosa in una bassa metallicità (   CON    ) ambiente in una galassia nana in cui si formano stelle a un redshift di  . La sua curva di luce mostra una luminosità (    molto s    ) e di lunga durata (  giorni) picco principale, con conseguente energia irradiata totale di    erg, più di un ordine di grandezza maggiore delle supernove canoniche a collasso del nucleo. La modellazione semi-analitica della curva di luce produce un progenitore simile a una supergigante blu con una massa di espulsione di   M    , massa di nichel radioattivo di   M    e l’energia dell’esplosione di    erg, ben abbinato dai modelli di instabilità di coppia. La curva di luce e gli spettri delle fasi iniziale e tardiva mostrano anche prove dell’interazione dell’ejecta della supernova con un mezzo circumstellare asferico. La scoperta di numerosi eventi simili con il futuro Osservatorio Rubin e il Telescopio Spaziale Roman farà luce sulla morte delle stelle più massicce dell’Universo.

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