Tutte le supernovae sono esplosioni di stelle al termine della loro vita. Esplosioni che possono avvenire in molti modi diversi, ma che sono sempre di grande importanza, perché responsabili della sintesi di elementi pesanti e della loro diffusione nello spazio. Senza di loro, non esisterebbero pianeti rocciosi come il nostro.
In particolare, le supernovae di tipo Ia sintetizzano la maggior parte degli elementi del gruppo del ferro, dal titanio allo zinco. L’esplosione avviene in un sistema binario, in cui una delle due stelle è una nana bianca.
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Le supernovae, di qualsiasi tipo siano, di solito comportano una singola esplosione. Tuttavia una supernova di tipo Ia denominata SN 2022joj, scoperta nel 2022 dalla Zwicky Transient Facility (ZTF) mostra un comportamento molto peculiare, che ha indotto gli astronomi a ritenere che potrebbe essere esplosa due volte. E noi avremmo osservato solo la seconda delle due detonazioni.
Le supernovae di tipo IA
Le supernove di tipo IA si verificano nelle stelle binarie in cui una stella è una nana bianca, composta principalmente da carbonio e ossigeno, e l’altra stella è di qualsiasi tipo, da una stella massiccia a un’altra nana bianca. L’esplosione avviene attraverso un processo noto come accrescimento di massa, durante il quale la nana bianca primaria sottrae materiale alla sua compagna secondaria. Lo vediamo nell’immagine di seguito. Credits: ESO/M. Kornmesser
Così facendo, la nana bianca accresce sempre di più la sua massa. Prima o poi arriverà a un limite critico, detto limite di Chandrasekhar, che è pari circa a 1.4 volte la massa del nostro Sole.
A questo punto, la pressione al suo interno diventa sufficientemente alta da innescare una reazione nucleare incontrollata del carbonio e dell’ossigeno. Questa reazione si diffonde rapidamente attraverso la stella, generando enormi quantità di energia.
L’energia liberata dall’esplosione di una supernova di tipo Ia è così intensa che la stella diventa più luminosa di un’intera galassia per un breve periodo. La luce emessa può persistere per settimane o mesi, prima di dissolversi gradualmente.
Il limite di Chandrasekhar
Il limite di Chandrasekhar, chiamato anche massa di Chandrasekhar, rappresenta il massimo valore che può raggiungere la massa di un oggetto costituito da materia degenere, ovvero una forma densa di materia composta da nuclei atomici immersi in un gas di elettroni. Questo limite è approssimativamente pari a 1.44 volte la massa del Sole, ovvero circa 3 x 1030 kg. È stato calcolato per la prima volta da Subrahmanyan Chandrasekhar, un fisico indiano, e a lui deve il suo nome.
Il limite di Chandrasekhar ha origini nella meccanica quantistica, con elettroni soggetti alla statistica di Fermi-Dirac e al principio di esclusione di Pauli, e ha un significato fisico fondamentale nella vita delle stelle. Quando una stella esaurisce il suo combustibile nucleare e il suo nucleo collassa, se la massa stellare è inferiore al limite di Chandrasekhar, la pressione generata dagli elettroni degeneri ferma il collasso, formando una nana bianca stabile.
Tuttavia, se la massa supera questo limite, la pressione elettronica non è sufficiente a contrastare la gravità, e la stella può collassare ulteriormente in una stella di neutroni o persino in un buco nero, a seconda della massa residua.
Stelle che esplodono due volte
Se la nana bianca non arriva a superare il limite di Chandrasekhar, ma ci si avvicina, e ha accumulato uno strato di elio esterno, può andare incontro a una doppia detonazione, ovvero ad un doppio tentativo di esplosione. Stelle così sono rare, ma non impossibili.
Lo strato di elio esterno si accende, come una miccia, iniziando la prima detonazione. Ovvero, una reazione nucleare incontrollata nel nucleo della stella che genera una quantità significativa di energia, ma non sufficiente a distruggere completamente la stella.
Quando il materiale esterno accumulato dalla stella compagna viene compresso dall’esplosione iniziale, si può innescare una seconda detonazione. Può essere ancora più energetica e distruttiva della precedente, portando alla completa disintegrazione della stella bianca nana e all’esplosione finale che osserviamo come una supernova di tipo Ia.
A suggerire l’avvenuta doppia detonazione è sicuramente la mancanza di qualsiasi resto stellare, ma anche una curva di luce insolita in cui si ha un picco di luce rossa che si manifesta 11 giorni prima della massima luminosità. Dopo quel picco, la curva torna ad assomigliare a quella di una tipica supernova di tipo Ia.
SN 2022joj è esplosa due volte? Forse sì
Nello studio della supernova SN 2022joj, sono stati utilizzati dati fotometrici e spettroscopici raccolti da diversi osservatori per approfondire la comprensione dell’evento. L’analisi delle curve di luce e l’evoluzione cromatica di SN 2022joj ha rivelato alcuni dettagli interessanti.
La presenza di un picco di luce rossa nella curva di luce di SN 2022joj, e altre peculiarità della sua spettroscopia, hanno portato gli scienziati a considerare che la nana bianca progenitrice potrebbe aver subito una doppia detonazione.
Innanzitutto, i ricercatori sostengono che SN 2022joj avesse un guscio esterno di elio. La maggior parte delle nane bianche ha un guscio o atmosfera di idrogeno, perciò forse la nana bianca progenitrice di SN 2022ioi ha sottratto parte dell’elio della compagna binaria, che evidentemente ne era ricca in superficie, per formare il proprio guscio di elio.
Ciò avrebbe poi innescato una prima detonazione dell’elio, anche se la nana bianca non aveva superato il limite di Chandrasekhar. Durante questa esplosione, viene sintetizzato un isotopo del nichel chiamato 56Ni, ben visibile nella spettrometria della stella in questione.
Esplodendo, il guscio di elio avrebbe generato una potente onda d’urto nella nana bianca. Questo shock avrebbe quindi innescato una seconda detonazione all’interno della stella, generando quindi una doppia esplosione.
Secondo gli scienziati, la spettroscopia di SN 2022joj supporta questa spiegazione. “Spettroscopicamente, troviamo un forte accordo tra SN 2022joj e i modelli a doppia detonazione con masse di nane bianche intorno a 1 massa solare e un sottile guscio di elio compreso tra 0.01 e 0.02 masse solari” scrivono.
L’analisi della curva di luce
Le curve di luce raccontano molto dell’evoluzione di una stella. Quella di una tipica supernova di tipo Ia la vediamo nella figura soprastante. La curva di luce di SN 2022joj, tuttavia, è diversa.
Innanzitutto, mostra un rapido declino e colori eccessivamente rossi durante le fasi iniziali, che si sono gradualmente spostati verso l’estremità blu dello spettro intorno al picco di massima radiazione.
L’immagine seguente confronta la curva di luce di SN 2022joj con le curve di luce di altre supernovae e con diversi modelli di supernovae a doppia detonazione (linee tratteggiate). In nero vediamo la curva di SN 2022joj, mentre negli altri colori sono mostrate le evoluzioni di altre stelle esplose in supernovae.
Dal confronto è emerso che supernovae con distribuzioni di 56Ni meno profonde, come quelle in magenta e in blu nel grafico soprastante, prevedevano colori più blu nelle fasi iniziali, il che contraddiceva i colori rossi osservati nella SN 2022joj.
Il modello più adatto per la curva di luce di SN 2022joj deriverebbe dalla presenza di un guscio di elio spesso, piuttosto che da uno sottile come per i modelli considerati dagli scienziati.
E se non fosse una supernova a doppia detonazione?
Tuttavia, i ricercatori non sono sicuri al 100% che si tratti di una supernova a doppia detonazione. I primi colori rossi indicavano che si erano verificate due esplosioni, ma altre prove non concordano. Dall’analisi dello spettro nebulare, per esempio, si è scoperto che SN 2022joj mostra una forte emissione di [Fe III] al posto delle attese linee di [Ca II].
Questa composizione si discosta dalle aspettative per una supernova a doppia detonazione, e ha portato all’ipotesi di una maggiore presenza di carbonio nel guscio della supernova.
Nonostante queste differenze rispetto ai modelli di doppia detonazione, l’analisi delle curve di luce e degli spettri di SN 2022joj ha al momento confermato la sua classificazione come supernova di tipo Ia. Questi risultati suggeriscono che SN 2022joj potrebbe essere un interessante candidato per ulteriori studi sulla doppia detonazione, contribuendo così alla nostra comprensione di questi eventi cosmici unici.
Dove è avvenuta questa supernova?
Dai dati dello Zwicky Transient Facility, SN 2022joj sembrava essere isolata, e non mostrare galassie nelle vicinanze. I ricercatori hanno quindi recuperato immagini del Canada France Hawaii Telescope (CFHT), che ha osservato lo stesso campo stellare per sei volte in due diverse occasioni (19 maggio 2017 e 17 aprile 2021), e le hanno utilizzate per ottenere un’immagine più profonda.
Il risultato è mostrato nella figura sottostante, dove viene chiaramente individuata la galassia ospite. Si tratta di un oggetto catalogato dal Pan-STARRS Legacy Survey, e si tratterebbe di una piccola galassia nana.
Ci sono altri esempi di supernovae a doppia detonazione?
Ci sono diversi candidati a supernvoae a doppia detonazione. Un esempio simile a SN 2022joj è un altro evento individuato nel maggio 2018 dallo Zwicky Transient Facility, e studiato da un team del Caltech guidato da Kishalay De. Le osservazioni fotometriche mostravano che questa supernova, nominata ZTF 18aaqeasu, presentava caratteristiche insolite: era notevolmente più rossa e meno luminosa rispetto a una normale supernova di tipo Ia. Questi tratti l’hanno resa un potenziale candidato per il caso di doppia detonazione.
Gli spettri della supernova erano altrettanto particolari. Mostravano una lenta formazione dell’assorbimento del silicio, una caratteristica distintiva delle supernove a doppia detonazione. Ancora più sorprendente, gli spettri presentavano un’interruzione mai osservata in precedenza nelle lunghezze d’onda corte, probabilmente causata dalla presenza di metalli come ferro e titanio.
Per comprendere meglio le caratteristiche di ZTF 18aaqeasu, De e il suo team hanno confrontato i dati con modelli teorici. Hanno scoperto che l’evento era probabilmente il risultato dell’accensione di un guscio di elio con una massa di 0.15 masse solari, che ha portato all’esplosione di una nana bianca con una massa di 0.76 masse solari. Questa combinazione insolita di una nana bianca di piccola massa con un guscio di elio massiccio ha reso ZTF 18aaqeasu un caso unico tra le supernove di tipo Ia.
La domanda chiave ora è se ci sono altre supernove simili a ZTF 18aaqeasu o a SN 2022joj. La loro esistenza e le prove osservative suggeriscono che gli eventi di doppia detonazione con gusci di elio massicci potrebbero essere rari, introducendo così un nuovo e misterioso membro nella famiglia delle supernove di tipo Ia.
Qui maggiori dettagli sull’evento 2022joj classificato come supernova di tipo Ia.
Fonti:
– SN 2022joj: A Potential Double Detonation with a Thin Helium shell, Gonzalez et al. 2023
– SN 2022joj: A Peculiar Type Ia Supernova Possibly Driven by an Asymmetric Helium-shell Double
Detonation, Liu et al. 2023
– ZTF 18aaqeasu (SN2018byg): A Massive Helium-shell Double Detonation on a Sub-Chandrasekhar-mass White Dwarf, De et al. 2019
