U skupu Perzej pronađen kemijski trag koji mijenja modele supernova

Skup galaksija Perzej sadrži kemijski zapis milijardi eksplozija zvijezda, ali taj zapis godinama nije odgovarao teorijskim modelima. Nova serija radova objavljena u časopisu The Astrophysical Journal pokazuje da se modeli masivnih zvijezda i supernova moraju doraditi kako bi objasnili količine silicija, sumpora, argona i kalcija izmjerene u vrućem plinu između galaksija.

Rendgenski pogled u golemi arhiv eksplozija

Duboko u smjeru zviježđa Perzej nalazi se jedan od najmasivnijih poznatih skupova galaksija. Skup Perzej okuplja više od tisuću galaksija, a prostor između njih ispunjen je iznimno vrućim plinom koji zrači u rendgenskom području.

Taj plin nije samo rijetka tvar raspršena između galaksija. U njemu su sačuvani tragovi dugog kemijskog razvoja svemira. Svaka generacija masivnih zvijezda, svaka eksplozija supernove i svaki val izbačenog materijala ostavili su dio svoje kemijske povijesti u tom međugalaktičkom prostoru.

Zbog toga je Skup Perzej za astrofizičare svojevrsni zapisnik zvjezdanih smrti. U njemu se može provjeriti koliko dobro teorijski modeli opisuju elemente koje supernove proizvode i izbacuju u svemir.

Upravo se tu pojavio problem.

Elementi koji nisu odgovarali teoriji

Mjerenja japanskog rendgenskog satelita HITOMI pokazala su da količine silicija, sumpora, argona i kalcija u skupu Perzej ne odgovaraju dovoljno dobro uobičajenim modelima razvoja masivnih zvijezda.

Ti elementi nastaju u zvijezdama znatno masivnijima od Sunca i tijekom njihovih završnih eksplozija. Prema postojećim modelima, zvijezde s najmanje desetak Sunčevih masa trebale bi ostaviti drukčiji kemijski potpis od onoga koji je HITOMI izmjerio u plinu skupa Perzej.

To nije bila mala razlika koju se može pripisati nesigurnosti u mjerenjima. Podaci su upućivali na to da modeli kojima se opisuje život i smrt masivnih zvijezda ne zahvaćaju dovoljno dobro stvarni raspon njihovih eksplozija.

Međunarodni tim istraživača, u kojem su sudjelovali Ken’ichi Nomoto sa Sveučilišta u Tokiju i instituta Kavli IPMU, Shing-Chi Leung iz Kavli IPMU-a te Aurora Simionescu iz Nizozemskog instituta za svemirska istraživanja i Kavli IPMU-a, zato je krenuo od temeljnog pitanja: kakve supernove mogu proizvesti kemijski sastav koji danas vidimo u skupu Perzej?

Novi modeli za zvijezde od 15 do 60 Sunčevih masa

Istraživači su najprije razvili nove modele masivnih zvijezda koji bolje odgovaraju izmjerenim količinama silicija, sumpora, argona i kalcija. Time su pokazali da se kemijski zapis skupa Perzej može objasniti, ali samo uz preciznije modele eksplozija i unutarnje građe masivnih zvijezda.

Nakon toga su posao proširili na znatno veći raspon zvijezda. Izradili su katalog modela za zvijezde od 15 do 60 Sunčevih masa, uz različite početne kemijske sastave. Taj početni sastav, koji astronomi nazivaju metalicitetom, ovisi o vremenu u kojem je zvijezda nastala.

Zvijezde u ranom svemiru nastajale su iz kemijski siromašnijeg materijala. Kasnije generacije nastajale su iz plina koji su prethodne supernove već obogatile težim elementima. Zbog toga se ne može opisati cijela povijest skupa galaksija jednim jednostavnim modelom supernove.

Kada su nove modele uključili u proračune kemijske evolucije galaksija, istraživači su rekonstruirali više od 10 milijardi godina stvaranja i širenja elemenata. Cilj nije bio objasniti jednu eksploziju, nego cijelu populaciju supernova koje su kroz kozmičku povijest oblikovale kemijski sastav plina u skupu Perzej.

Cink kao trag najekstremnijih eksplozija

Treći rad iz serije usmjerio se na osobito snažan tip eksplozije. Riječ je o supernovama koje ne izbacuju materijal gotovo jednoliko u svim smjerovima, nego razvijaju snažne bipolarne mlazove.

Takvi događaji mogu nastati kada se brzo rotirajuća masivna zvijezda uruši u crnu rupu ili neutronsku zvijezdu. Oko tog kompaktnog ostatka nastaje akrecijski disk, a nestabilnosti u disku mogu pokrenuti vrlo energične mlazove koji probijaju ostatke zvijezde i oblikuju samu eksploziju.

Tim je proveo višedimenzionalne simulacije takvih događaja i pratio njihov kemijski učinak. Posebno se izdvojio cink. Prema novim modelima, povećana proizvodnja cinka mogla bi biti važan trag za procjenu koliko su takve ekstremne eksplozije bile česte u ranijoj povijesti svemira.

Istraživači sada žele primijeniti nove modele i na kemijsku povijest Mliječne staze. Ako isti pristup uspije objasniti sastav naše galaksije kroz vrijeme, astronomi bi mogli dobiti jasniju sliku o tome koje su vrste supernova najviše oblikovale kemijski razvoj galaksija. Važan sljedeći korak bit će i novi podaci misije XRISM, koja bi trebala donijeti preciznija rendgenska mjerenja različitih skupova galaksija

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.