Rymdteleskopet Kepler har fångat upp ljus som sändes ut i början av en supernovaexplosion, vid den tid då chockvågen inifrån den exploderande jättestjärnan nådde stjärnytan. Händelsen kallas chockutbrott och går över fort. Den glimt av energirik strålning som sänds ut då chocken bryter genom stjärnytan varar i typiska fall knappt en timme. Därför har chockutbrott bara observerats för ett fåtal supernovor. Tidigare har astronomerna haft tur och observerat chockutbrott för att man råkade titta åt rätt håll vid rätt tid. De nya observationerna bygger däremot på Kepler-teleskopets envisa stirrande mot en viss fläck på himlen. Resultaten publicerades i mars av ett forskarlag lett av Peter Garnavich vid Notre Dame-universitetet (Indiana, USA) i Astrophysical Journal.
Slutet för svullna jättestjärnor
När en jättestjärna med över 8 gånger solens massa utvunnit energi under några miljoner år genom att, i sitt inre, omvandla lättare grundämnen till tyngre alstras till sist järn inne i stjärnan. Det går inte att utvinna energi genom att omvandla järn till något tyngre grundämne. Då ingen energi längre utvinns i jättestjärnans innersta finns det inget som kan balansera stjärnans dragningskraft. Stjärnans kärna kollapsar då och sänder en chockvåg utåt som sliter sönder stjärnan. En kärnkollapssupernova har tagit sin början. Jättestjärnor av det här slaget är vanligen ganska uppsvällda, med radier på hundratals gånger solens radie. Därför tar det ofta flera timmar för chockvågen att färdas ut genom jättestjärnan och nå fram till ytan. Supernovan KSN 2011d, som Kepler-teleskopet observerat chockutbrottet för, kom uppenbarligen ur just en sådan uppsvälld jättestjärna.
Kepler-teleskopet har en 1,4 m ljussamlande spegel och kretsar sedan 2009 i en egen bana runt solen. Dess ursprungliga huvuduppgift var att månader i sträck mäta ljusstyrkan för drygt 100 000 stjärnor i ett fält mellan Svanen och Lyran. Där skulle man leta efter planeter genom att söka efter försvagningar i stjärnljuset som kan tyda på att planeter regelbundet skymmer sina stjärnor. Vanligtvis gjordes detta genom att var trettionde minut göra en ny exponering, vilket innebar att snabba förändringar i ljusstyrka kunde följas. Förutom de ordinarie stjärnorna följdes också ca 500 galaxer, bland annat i jakt på supernovor. Kepler fick 2013 tekniska problem med systemet som riktar teleskopet. Sedan 2014 riktas därför Kepler mot olika fält på himlen, dit man klarar av att peka. Uppdraget är dock detsamma, att leta efter planeter vid andra stjärnor och i farten kanske hitta en och annan supernova. Med Keplers sätt att observera kan man få en mycket god ljuskurva (ljusstyrkan ritad som funktion av tiden) för en supernova. Men det finns en hake: Kepler skickar bara data till jorden med månatliga mellanrum, vilket gör att man inte kan följa en supernova i realtid. När man lagt märke till en supernova i de data som Kepler sänt till jorden har supernovan troligen hunnit falna på himlen. Det är då för sent att undersöka supernovans kemiska signatur genom att ta ett spektrum.
Gissa supernovan!
Man kan, genom att lägga märke till en supernovas maximala ljusstyrka och hur fort den falnar, försöka gissa vilken typ av supernova man sett. Om supernovatypen har en särpräglad ljuskurva blir det i bästa fall en god gissning. Så är fallet med de två supernovor som Garnavich och medarbetare nu beskriver: KSN 2011a, som hittades i en galax ca 700 miljoner ljusår bort, och KSN 2011d, som hittades i en galax drygt 1 miljard ljusår bort. Särskilt för KSN 2011d såg man en kort men tydlig signal från chockutbrottet, som dessutom stämde väl med förutsägelserna från tidigare teorier.
De båda supernovorna som presenteras är av s.k. typ IIP. Den romerska tvåan betyder att supernovorna är rika på väte, vilket här kan antas trots att det inte tagits något spektrum. Bokstaven P står för ”platå” och betyder att supernovans ljusstyrka under flera månader var nästan konstant, för att sedan sjunka hastigt. På detta sätt uppträdde både KSN 2011a och KSN 2011d.
En supernova av typ IIP uppkommer då en jättestjärna med ett utsträckt hölje av väte exploderar. En sådan jättestjärna kan ha en radie på flera hundra solradier och dess yttre delar är tunnare än luften vi andas. När chockvågen inifrån stjärnan färdas utåt genom vätehöljet blir temperaturen så hög att vätet joniseras. Stjärnans yttre hölje blir då en soppa av fria protoner och elektroner som är ogenomskinlig för strålning inifrån stjärnan. Allt vad en yttre observatör kan se är strålning som sänds ut från den unga supernovans yttre delar. Efter ett par veckor har dock de yttre delarna av supernovan svalnat så pass att vätet kan börja rekombinera; elektronerna kan hitta tillbaka till protonerna och bilda neutralt väte, och det sker vid en temperatur på endast ca 5000 K. Vid det skikt där rekombinationen sker börjar supernovan härmed bli genomskinlig för strålning. Skiktet i supernovan där temperaturen är den rätta för rekombination flyttar sig inåt i den expanderande supernovan efterhand som den svalnar. Eftersom temperaturen för rekombinationen är ungefär konstant fås en ljusstyrka som ändras ganska litet. Detta ger oss platån i ljuskurvan, och vi klassar supernovan som typ IIP. När rekombinationen nått hela vägen in i vätehöljet slutar platån, ljusstyrkan sjunker och andra mekanismer tar över.
En artig och en litet vildare platåsupernova
Supernovan KSN 2011d kunde iakttas under drygt 150 dygn av Kepler-teleskopet och själva chockutbottet syntes 8 november 2011. Under 13 dygn steg supernovans ljusstyrka till maximum och under de kommande månaderna falnade supernovan med en sluttande platå i ljuskurvan. Jämförelse med modeller av Itay Rabinak och Eli Waxman i Israel för en exploderande jättestjärna med 490 gånger solens radie stämmer mycket väl med observationerna. Stjärnan som gav upphov till KSN 2011d skulle alltså svälja Mars om man satte den i solens ställe. Zoomar man in på ljuskurvans början ser man tydligt chockutbrottet, som dessutom stämmer väl med en modell av Ehud Nakar och Re’em Sari (också Israel).
Även för KSN 2011a finns det bra data från Kepler. Denna supernova tog endast 10 dygn på sig att klättra till maximal ljusstyrka och den hade en jämn och fin platå på över 100 dygn. Man uppskattar att glimten från chockutbrottet nådde oss 24 juli 2011, men att material som omgav den exploderande stjärnan (utkastat genom tidigare stjärnvindar) delvis störde signalen från chockutbrottet. Tillämpas modellen av Rabinak och Waxman på KSN 2011a stämmer det inte lika bra som för KSN 2011d, men en uppskattning ger en radie på 280 solradier för stjärnan som exploderade. En sådan stjärna skulle, satt i solens ställe, svälja jorden.
Att Garnavich och hans forskarlag är entusiastiska över sin upptäckt kan läsas mellan raderna i artikeln. De hänvisar till ett par kommande artiklar ”in preparation”, alltså under förberedelse. Genom studien av supernovorna KSN 2011a och KSN 2011d kan vi glädja oss åt två av de mest utsökta (forskarnas ordval!) supernovaljuskurvorna som uppmätts, liksom åt det första observerade chockutbrottet från en typ IIP-supernova.
Kan bra bli ännu bättre?
Även för typ Ia-supernovor, som ofta används för kosmiska avståndsmätningar, publicerades 2015 fina resultat från Kepler av Rob Olling och medarbetare. Men kan vi inte göra något åt bristen på spektra? Eftersom vi vet åt vilket håll Kepler-teleskopet tittar kan vi gardera oss genom att, från jordytan, leta efter supernovor på samma del av himlen och ta spektra av dem. Då spelar det i bästa fall ingen roll att det tar månader att ladda ner Kepler-observationerna, då ett spektrum redan mycket väl kan ha tagits. Sådant jordbaserat letande har gjorts, bland annat av supernovaprojektet iPTF, där Stockholms universitet deltar. I bästa fall får därför nästa Kepler-supernova inte bara en god ljuskurva utan också spektra som säger något om sammansättning, expansionsfart och mycket annat. Rymdteleskopet Kepler stirrar träget vidare och fler fina supernovaobservationer lär göras.
