A sinistra: immagine della NIRCam del James Webb nel vicino infrarosso della supernova SN1987A, rilasciata nel 2023. A destra, la luce proveniente dall'argon ionizzato multiplo catturato dal NIRSpec di Webb. Credits: NASA, ESA, CSA, STScI, Claes Fransson (Università di Stoccolma), Mikako Matsuura (Università di Cardiff), M. Barlow (UCL), Patrick Kavanagh (Università di Maynooth), Josefin Larsson (KTH)
Nel febbraio 1987, si osservò ad occhio nudo la supernova più vicina alla Terra in quasi 400 anni. Designata SN 1987A, era il risultato della morte di una stella massiccia nella Grande Nube di Magellano, una galassia nana distante 160mila anni luce.
Nei decenni successivi, i suoi resti furono studiati dai telescopi a tutte le lunghezze d’onda della radiazione, dai raggi X alla radio. Eppure, nonostante l’esame accurato e le ripetute analisi, rimaneva un mistero: cosa si celasse nel suo centro. La teoria prevedeva che l’esplosione avrebbe dovuto produrre una stella di neutroni o un buco nero. Tuttavia, nessun telescopio era riuscito a trovare un oggetto compatto all’interno dei resti di SN 1987A.
Ora, nuove osservazioni del James Webb Space Telescope hanno fornito la prima prova diretta di quella che probabilmente è una stella di neutroni, rivelata dagli effetti della sua emissione ad alta energia.
Circa due ore prima della prima osservazione in luce visibile di SN 1987A, nel febbraio di 37 anni fa, tre osservatori in tutto il mondo rilevarono un’esplosione di neutrini durata solo pochi secondi. I due diversi tipi di osservazioni erano collegati allo stesso evento di supernova. E fornirono prove importanti per informare la teoria su come avviene il collasso del nucleo in questo tipo di esplosioni stellari.
Questa teoria includeva l’aspettativa che questo tipo di supernova formasse una stella di neutroni o un buco nero. Da allora, quindi, gli astronomi hanno cercato prove dell’uno o dell’altro di questi oggetti compatti al centro del materiale residuo in espansione, utilizzando diverse strutture.
Negli ultimi anni sono state trovate prove indirette della presenza di una stella di neutroni al centro del resto. E osservazioni di resti di supernova molto più antichi (come la Nebulosa del Granchio) confermano che le stelle di neutroni si trovano in molti resti di supernova. Tuttavia, fino ad ora non era stata osservata alcuna prova diretta dell’esistenza di una stella di neutroni in seguito alla SN 1987A.
Il James Webb ha iniziato le osservazioni scientifiche nel luglio 2022, e già il 16 luglio 2022 aveva ottenuto i primi dati alla base della ricerca su SN 1987A, uno dei primi oggetti che ha osservato.
I dati sono stati in parte ottenuti con la modalità spettrografo a media risoluzione (MRS) del MIRI (Mid InfraRed Instrument) di Webb, un tipo di strumento noto come Integral Field Unit (IFU). Le IFU sono in grado di acquisire l’immagine di un oggetto e anche uno spettro allo stesso tempo. Un’IFU forma poi uno spettro in corrispondenza di ciascun pixel, consentendo agli osservatori di vedere le differenze spettroscopiche attraverso l’oggetto.
L’analisi spettrale dei risultati su SN 1987A ha mostrato un forte segnale dovuto all’argon ionizzato, proveniente dal centro del materiale espulso che circonda il sito originale dell’esplosione.
Osservazioni successive utilizzando l’IFU di NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph), a lunghezze d’onda più corte, hanno trovato elementi chimici ancora più fortemente ionizzati, in particolare argon cinque volte ionizzato. Si tratta di atomi di argon che hanno perso cinque dei loro 18 elettroni. Tali ioni richiedono la formazione di fotoni altamente energetici, e quei fotoni devono provenire da qualche parte, da una fonte ad alta energia.
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Gli scienziati che hanno guidato la ricerca hanno avanzato diverse possibilità, per spiegare la presenza dell’argon così fortemente ionizzato. Hanno così scoperto che solo pochi scenari sono probabili, e che tutti coinvolgono una stella di neutroni appena nata.
Dall’applicazione di diversi modelli di fotoionizzazione, infatti, i rapporti e le velocità delle linee spettrali possono essere spiegate dalla radiazione ionizzante di una stella di neutroni, che sta illuminando il gas nelle regioni più interne del sito originale dell’esplosione.
Questo risultato, per quanto importante, è solo l’inizio. I resti della stella in esplosione continueranno ad evolversi rapidamente nei decenni successivi, offrendo agli astronomi la rara opportunità di studiare un processo astronomico chiave in tempo reale.
Quest’anno sono previste ulteriori osservazioni, con il James Webb e telescopi terrestri. Il gruppo di ricerca spera che lo studio in corso possa fornire maggiore chiarezza su esattamente ciò che sta accadendo nel cuore del resto della supernova del 1987. E che queste osservazioni possano stimolare lo sviluppo di modelli più dettagliati per questa tipologia di esplosioni stellari.
Lo studio completo Emission lines due to ionizing radiation from a compact object in the remnant of Supernova 1987A è reperibile qui.
