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Scoperto un nuovo tipo di supernova: la supernova a cattura di elettroni

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Il dottor Iair Arcavi, un ricercatore dell’Università di Tel Aviv presso la Facoltà di Scienze esatte Raymond and Beverly Sackler, ha partecipato a uno studio che ha scoperto un nuovo tipo di esplosione stellare: una supernova a cattura di elettroni.

Sebbene siano state teorizzate per 40 anni, finora non era stato possibile individuarne. Una supernova a cattura di elettroni nasce dalle esplosioni di stelle 8-9 volte la massa del sole.

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La scoperta getta nuova luce anche sul mistero millenario della supernova del 1054 d.C. che fu vista dagli antichi astronomi, prima di diventare la Nebulosa del Granchio, che conosciamo oggi.

Una supernova è l’esplosione di una stella a seguito di un improvviso squilibrio tra le due forze opposte che hanno modellato la stella per tutta la sua vita. La gravità, che cerca di comprimere la stella e la pressione verso l’esterno esercitata dalla fusione nucleare che avviene nel nucleo.

Il nostro sole, ad esempio, controbilancia questa forza attraverso la fusione nucleare nel suo nucleo, che produce una pressione che si oppone all’attrazione gravitazionale.

Finché c’è abbastanza fusione nucleare, la gravità non è in grado di far collassare la stella. Tuttavia, alla fine, l’idrogeno che consente la fusione nucleare si esaurirà e la stella collasserà.

Per le stelle come il sole, il nucleo collassato è chiamato nana bianca. Questo materiale nelle nane bianche è così denso che le forze quantistiche tra gli elettroni impediscono un ulteriore collasso.

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Supernova 2018zd

Composizione a colori del telescopio spaziale Hubble della supernova a cattura di elettroni 2018zd e della galassia ospite starburst NGC 2146. Credito: NASA/STScI/J. De Pasquale; Osservatorio Las Cumbres

Per le stelle 10 volte più massicce del nostro sole, tuttavia, le forze quantistiche degli elettroni non sono sufficienti per fermare l’attrazione gravitazionale e il nucleo continua a collassare fino a diventare una stella di neutroni o un buco nero, accompagnato da una gigantesca esplosione.

Nell’intervallo di massa intermedio, gli elettroni vengono schiacciati (o più precisamente catturati) sui nuclei atomici. Questo rimuove le forze quantistiche degli elettroni e fa collassare e poi esplodere la stella.

Storicamente, ci sono stati due principali tipi di supernova.

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Uno è una supernova termonucleare, l’esplosione di una nana bianca dopo che ha guadagnato materia in un sistema binario. Queste nane bianche sono i nuclei densi di cenere che rimangono dopo che una stella di piccola massa (una fino a circa 8 volte la massa del Sole) raggiunge la fine della sua vita.

Un altro tipo di supernova principale è una supernova con collasso del nucleo in cui una stella massiccia – una più di circa 10 volte la massa del Sole – esaurisce il combustibile nucleare e il suo nucleo collassa, creando un buco nero o una stella di neutroni.

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Il lavoro teorico ha suggerito che le supernove a cattura di elettroni si verificano al confine tra questi due tipi di supernova.

Questa è la teoria che è stata sviluppata negli anni ’80 da Ken’ichi Nomoto dell’Università di Tokyo e altri. Nel corso dei decenni, i teorici hanno formulato previsioni su cosa cercare in una supernova a cattura di elettroni.

Le stelle dovrebbero perdere molta massa di particolare composizione prima di esplodere, e la stessa supernova dovrebbe essere relativamente debole, avere poche ricadute radioattive e produrre elementi ricchi di neutroni.

Il nuovo studio, pubblicato su Nature Astronomy, si concentra sulla supernova SN2018zd, scoperta nel 2018 dall’astronomo amatoriale giapponese Koihchi Itagaki. Allo studio ha preso parte anche il dottor Iair Arcavi, del dipartimento di astrofisica dell’Università di Tel Aviv.

Questa supernova, situata nella galassia NGC 2146, ha tutte le proprietà attese da una supernova a cattura di elettroni, che non sono state viste in nessun’altra supernova.

Inoltre, poiché la supernova è relativamente vicina, a soli 31 milioni di anni luce di distanza, i ricercatori sono stati in grado di identificare la stella nelle immagini d’archivio pre-esplosione scattate dal telescopio spaziale Hubble.

In effetti, la stella stessa si adatta anche alle previsioni del tipo di stella che dovrebbe esplodere come supernova a cattura di elettroni, ed è diversa dalle stelle che sono state viste esplodere come gli altri tipi di supernova.

Mentre alcune supernova scoperte in passato avevano alcuni degli indicatori previsti per le supernove a cattura di elettroni, solo SN2018zd li aveva tutti e sei: una stella progenitrice che rientra nell’intervallo di massa previsto, una forte perdita di massa pre-supernova, una composizione chimica insolita, un debole esplosione, poca radioattività e materiale ricco di neutroni.

Abbiamo iniziato chiedendo ‘che cos’è questo oggetto strambo?’“, ha detto Daichi Hiramatsu dell’Università della California Santa Barbara e dell’Osservatorio Las Cumbres, che ha guidato lo studio. “Poi abbiamo esaminato ogni aspetto di SN 2018zd e ci siamo resi conto che tutti possono essere spiegati nello scenario della cattura degli elettroni“.

La nebulosa del Granchio potrebbe derivare da una supernova a cattura di elettroni

Le nuove scoperte illuminano anche alcuni misteri di una delle più famose supernove del passato.

Nel 1054 d.C. una supernova si verificò nella nostra Via Lattea e, secondo i registri cinesi, arabi e giapponesi, era così brillante che poteva essere vista di giorno e proiettare ombre di notte. Il residuo risultante, la Nebulosa del Granchio, è stato studiato nei minimi dettagli e si è scoperto che aveva una composizione insolita.

In precedenza era il miglior candidato per una supernova a cattura di elettroni, ma questo era incerto in parte perché l’esplosione avvenne quasi mille anni fa. Il nuovo risultato aumenta la fiducia che la storica supernova 1054 fosse una supernova a cattura di elettroni.

È incredibile che possiamo far luce sugli eventi storici nell’Universo con strumenti moderni“, afferma il dott. Arcavi. “Oggi, con telescopi robotici che scrutano il cielo con un’efficienza senza precedenti, possiamo scoprire eventi sempre più rari e critici per comprendere le leggi della natura, senza dover aspettare 1000 anni tra un evento e l’altro”.

Riferimento: “The electron-capture origin of supernova 2018zd” di Daichi Hiramatsu, D. Andrew Howell, Schuyler D. Van Dyk, Jared A. Goldberg, Keiichi Maeda, Takashi J. Moriya, Nozomu Tominaga, Ken’ichi Nomoto, Griffin Hosseinzadeh , Iair Arcavi, Curtis McCully, Jamison Burke, K. Azalee Bostroem, Stefano Valenti, Yize Dong, Peter J. Brown, Jennifer E. Andrews, Christopher Bilinski, G. Grant Williams, Paul S. Smith, Nathan Smith, David J. Sand, Gagandeep S. Anand, Chengyuan Xu, Alexei V. Filippenko, Melina C. Bersten, Gastón Folatelli, Patrick L. Kelly, Toshihide Noguchi e Koichi Itagaki, 28 giugno 2021, Astronomia della natura.

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