Po raz pierwszy w historii astronomowie bezpośrednio zaobserwowali głębokie warstwy umierającej gwiazdy – bogate w krzem, siarkę i argon. Odkrycie supernowej SN2021yfj otwiera nowy rozdział w badaniach ewolucji gwiazd
Astrofizycy od dawna przyjmowali, że masywne gwiazdy mają strukturę warstwową. Na powierzchni dominują najlżejsze pierwiastki – wodór i hel. Głębiej znajdują się warstwy bogate w węgiel, azot i tlen, a jeszcze głębiej – cięższe pierwiastki, takie jak krzem i siarka. W samym centrum tworzy się natomiast żelazne jądro. Jego zapadnięcie kończy życie gwiazdy i prowadzi do wybuchu supernowej.
Z badań międzynarodowego zespołu astrofizyków z Northwestern University, które opublikowano w czasopiśmie Nature, wynika że SN2021yfj stanowi bezpośrednie potwierdzenie tego modelu. Gwiazda przed eksplozją utraciła nie tylko wodór i hel, lecz także warstwy węglowo-tlenowe, odsłaniając głębsze pokłady.
„To pierwszy raz, kiedy zobaczyliśmy gwiazdę dosłownie obnażoną do kości” – mówi dr Steve Schulze z Northwestern University, główny autor badania, dodając: „To pokazuje, że gwiazdy mogą stracić znacznie więcej materii, niż dotąd sądziliśmy, a mimo to wywołać jasną eksplozję widoczną z odległości miliardów lat świetlnych”.
2,2 mld lat świetlnych od Ziemi
SN2021yfj zaobserwowano we wrześniu 2021 r. w ramach przeglądu nieba Zwicky Transient Facility (ZTF) w Obserwatorium Palomar w Kalifornii. Kamera ZTF obejmuje pole odpowiadające aż 235 tarczom Księżyca i regularnie rejestruje krótkotrwałe zjawiska kosmiczne: wybuchy supernowych, kolizje gwiazd neutronowych czy rozbłyski czarnych dziur.
„ZTF to dziś podstawowe narzędzie do odkrywania tego rodzaju niezwykłych obiektów” – podkreśla Schulze. „Dzięki niemu możemy obserwować wybuchy gwiazd w odległych galaktykach niemal natychmiast po ich wystąpieniu”.
Supernowa rozbłysła w galaktyce oddalonej o 2,2 mld lat świetlnych od Ziemi. Początkowo uznano ją za typową, jednak widmo – rozkład światła na poszczególne barwy – ujawniło zupełnie inny skład chemiczny.
Ciężkie pierwiastki zamiast helu i tlenu
Wcześniej znane supernowe obdarte z powłok (Ib i Ic) odsłaniały zwykle hel, tlen lub węgiel. W przypadku SN2021yfj po raz pierwszy zaobserwowano dominację pierwiastków cięższych: krzemu, siarki i argonu, powstających głęboko we wnętrzu gwiazdy podczas ostatnich etapów jej życia.
„To wydarzenie wyglądało tak dziwnie, że początkowo sądziliśmy, iż obserwujemy niewłaściwy obiekt” – przyznaje prof. Adam Miller z Northwestern University, współautor badania. „Okazało się, że nasze teorie ewolucji gwiazd są zbyt ograniczone. Nie tyle błędne, co niepełne. Natura pokazuje nam bardziej egzotyczne scenariusze niż te, które przewidywaliśmy”.
Decydujące obserwacje przeprowadzono w W. M. Keck Observatory na Hawajach, gdzie spektrografy pozwoliły zidentyfikować charakterystyczne linie widmowe krzemu, siarki i argonu.
Nowa hipoteza: epizody niestabilności parowej
Zdaniem autorów badań najbardziej prawdopodobnym mechanizmem były epizody niestabilności parowej. W ekstremalnie gorącym jądrze masywnej gwiazdy powstają pary cząstka-antycząstka (elektronów i pozytonów). Proces ten obniża ciśnienie wewnątrz gwiazdy, prowadząc do gwałtownego zapadania się jej jądra. W efekcie temperatura gwałtownie rośnie, wywołując potężny wybuch termojądrowy.
Taki wybuch wyrzuca w przestrzeń kolejne powłoki gwiazdy. Gdy świeżo wyrzucona materia zderza się z wcześniejszą, powstaje niezwykle jasny rozbłysk, obserwowany jako supernowa.
„To, co zarejestrowaliśmy, to materiał powstały dosłownie na kilka miesięcy przed ostateczną eksplozją” – wyjaśnia Schulze. „Aby do tego doszło, musiało wydarzyć się coś niezwykle gwałtownego”.
Badacze podkreślają jednak, że to wciąż hipoteza. Potrzebne są dalsze obserwacje podobnych przypadków, by ją potwierdzić.
Dlaczego to przełomowe dla astronomii?
Supernowe dzieli się na kilka głównych typów:
- Typ Ia – eksplozje białych karłów w układach podwójnych. Są jednorodne i wykorzystywane w kosmologii jako „świece standardowe”.
- Typ II – zapadanie się masywnych gwiazd, które zachowały powłoki wodorowe. W ich widmach widoczne są linie wodoru.
- Typy Ib i Ic – gwiazdy, które przed wybuchem utraciły odpowiednio wodór (Ib) albo wodór i hel (Ic).
SN2021yfj nie mieści się w tym schemacie. To pierwszy znany przypadek supernowej, w której gwiazda straciła niemal wszystkie warstwy – nie tylko wodór i hel, lecz także węgiel i tlen – odsłaniając najgłębsze pokłady bogate w krzem i siarkę.
Jednocześnie po raz pierwszy naukowcom udało się zajrzeć tak głęboko do wnętrza masywnej gwiazdy. Odkrycie to sugeruje, że istnieją bardziej ekstremalne ścieżki prowadzące do wybuchów supernowych, niż dotąd przypuszczano.
„Mamy teorię, która tłumaczy SN2021yfj, ale nie postawiłbym na nią wszystkiego” – zaznacza Miller. „To pojedynczy przypadek. Potrzebujemy więcej takich obserwacji, by naprawdę zrozumieć, jak powstają tego rodzaju eksplozje”.
Źródła:
- Northwestern University / EurekAlert! (20.08.2025): First-of-its-kind supernova reveals innerworkings of a dying star
Artykuł w Nature, DOI: 10.1038/s41586-025-09375-3
Potrzebujemy więcej takich obserwacji, by naprawdę zrozumieć, jak powstają tego rodzaju eksplozje