James Webb Space Telescope (JWST)

[Slavin]

Dwie egzoplanety krążące wokół białych karłów. James Webb fotografuje.



Za kilka miliardów lat nasze Słońce stanie się białym karłem. Co stanie się z Jowiszem i Saturnem, gdy Słońce zmieni się w gwiezdną pozostałość? Życie może toczyć się dalej, chociaż gigantyczne planety prawdopodobnie oddalą się z czasem nieco od Słońca.

Gwiazdy kończą swoje życie na różne sposoby. Najmasywniejsze z nich eksplodują jako supernowe, świecąc przez moment jaśniej niż galaktyka, w której się znajdują. Inne, nieco mniejsza, podobne do Słońca, nie popisują się już tak pod koniec życia. Gwiazdy te najpierw zwiększają swoje rozmiary, przechodząc w stadium czerwonego olbrzyma, a następnie odrzucają swoje zewnętrzne warstwy, które odpływając, tworzą przez jakiś czas mgławicę planetarną (która nie ma nic wspólnego z planetami) i przechodząc w stadium odsłoniętego jądra gwiazdy, czyli tzw. białego karła.

Naukowcy sądzą, że wokół niektórych białych karłów znajdują się dyski odłamków, z których może uformować się nowe pokolenie planet. Co więcej, istnieje teza, że część planet krążących wcześniej wokół gwiazdy także nie jest w stanie przetrwać fazy czerwonego olbrzyma i krążyć dalej wokół białego karła.

Naukowcy z Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego, Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda i innych instytucji badawczych odkryli coś, co wygląda na dwie olbrzymie planety krążące wokół dwóch białych karłów w dwóch różnych układach planetarnych. Oba obiekty zostały opisane w artykule pt. „JWST Directly Images Giant Planet Candidates Around Two Metal-Polluted White Dwarf Stars” opublikowanym na serwerze preprintów arXiv.

Badania teoretyczne wskazują, że wokół białych karłów powinny istnieć egzoplanety. Planety zewnętrzne znajdujące się poza pasem planetoid w naszym Układzie Słonecznym powinny przetrwać przejście swojej gwiazdy z ciągu głównego przez stadium czerwonego olbrzyma do białego karła. Jednak planety znajdujące się bliżej zostaną pochłonięte przez czerwonego olbrzyma, w miarę jak będzie on zwiększał swoje rozmiary. W naszym Układzie Słonecznym Słońce prawdopodobnie całkowicie pochłonie lub rozerwie i zniszczy Merkurego, Wenus i Ziemię. Może nawet i Marsa.

Planety, które to przetrwają, prawdopodobnie oddalą się z czasem nieco bardziej od gwiazdy, gdyż ta będzie traciła masę, a tym samym jej grawitacja będzie słabła w fazie czerwonego olbrzyma.

Problem polega jednak na tym, że trudno jest wykryć planety krążące wokół białych karłów. Pomimo usilnych wysiłków astronomowie odkryli jedynie kilka obiektów o masach planetarnych krążących wokół takich obiektów.

Na chwilę obecną autorzy opracowania odkryli dwie potencjalne planety krążace wokół białych karłów. Znajdują się w odległości około 11,5 i 34,5 jednostki astronomicznej od swoich gwiazd, które mają 5,3 miliarda i 1,6 miliarda lat. Jeśli planety są tak stare jak gwiazdy, fotometria MIRI pokazuje, że mają one od 1 do 7 mas Jowisza.

„Jeśli uda się to potwierdzić, będą to pierwsze bezpośrednio sfotografowane planety podobne zarówno pod względem wieku, jak i odległości do gazowych olbrzymów w naszym Układzie Słonecznym. Dowodziłoby to, że dalekie planety, takie jak Jowisz, są w stanie przetrwać ewolucję gwiazd, takich jak Słońce” – piszą autorzy.

Jeśli badacze mają rację i planety powstały w tym samym czasie co gwiazdy, jest to ważny krok w naszym rozumieniu egzoplanet i gwiazd, które krążą wokół nich. Może to mieć także wpływ na życie na księżycach krążących wokół tych planet.

Mamy tu jednak zupełnie inny problem związany z białymi karłami: metaliczność białych karłów.

Wydaje się, że niektóre białe karły są zanieczyszczone metalami, pierwiastkami cięższymi od wodoru i helu. Astronomowie uważają, że metale te pochodzą z planetoid w pasie planetoid, które zostały zaburzone grawitacyjnie i wyrzucone przez grawitację gazowych olbrzymów w kierunku białego karła.



„Potwierdzenie istnienia tych dwóch kandydatów na planety za pomocą przyszłych obrazowań MIRI dostarczyłoby dowodów bezpośrednio łączących planety-olbrzymy z zanieczyszczeniem białych karłów metalami” – piszą autorzy.

Astronomowie odkryli, że aż 50% izolowanych białych karłów w atmosferze wodorowej ma metale w fotosferach, czyli warstwie powierzchniowej gwiazd. Te białe karły muszą aktywnie akumulować metale ze swojego otoczenia. Ulubionym źródłem tych metali są planetoidy i komety.

„W tym scenariuszu planety, które przetrwają fazę czerwonego olbrzyma, czasami zakłócają orbity planetoid i komet, które następnie kierują się w stronę białego karła” – piszą autorzy.

Astronomowie mieli trudności ze znalezieniem planet wokół białych karłów. Główne metody wyszukiwania planet nie są zbyt skuteczne w pobliżu białych karłów. Metoda tranzytu stosowana przez Keplera i TESS jest nieskuteczna, ponieważ białe karły są za małe i słabo świecą. Inną metodą jest metoda prędkości radialnych, która wyczuwa, jak gwiazda kołysze się pod wpływem planety. Mierzy zmianę widma gwiazdy spowodowaną wahaniami. Jednakże białe karły mają prawie pozbawione cech charakterystycznych widma, co sprawia, że zmiany radialne są niezwykle trudne do wykrycia.

„Możliwości Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) w podczerwieni oferują wyjątkową możliwość bezpośredniego obrazowania planet o masach Jowisza krążących wokół pobliskich białych karłów” – piszą naukowcy w swoim artykule.

JWST jest wystarczająco silny, aby bezpośrednio fotografować duże planety wokół małych gwiazd bez użycia koronografu, pod warunkiem, że planety znajdują się wystarczająco daleko od gwiazdy. „Korzystając z doskonałej rozdzielczości JWST, możliwe jest bezpośrednie obrazowanie planety w odległości zaledwie kilku jednostek astronomicznych od pobliskich białych karłów bez użycia koronografu” -przekonują badacze.

Częścią wysiłku włożonego w tę pracę jest identyfikacja źródeł punktowych. W astronomii źródło punktowe to pojedyncze, możliwe do zidentyfikowania źródło światła. Jego przeciwieństwem jest źródło rozdzielone lub źródło rozszerzone. Naukowcy musieli mieć pewność, że to, co widzą wokół białych karłów, to źródła punktowe, którymi w tym przypadku są najprawdopodobniej planety. „Spodziewamy się, że pojawią się one jako źródła punktowe, które zwiększają jasność na dłuższych falach” – piszą.

Aby ustalić, czy to, co widzą, jest źródłami punktowymi, astronomowie stosują proces zwany referencyjnym obrazowaniem różnicowym. To skomplikowana procedura, ale zasadniczo polega na odjęciu źródeł od obrazów. Jest ona szczególnie skuteczna w znajdowaniu planet krążących blisko gwiazd.

„Jeśli te dwie kandydatury na planety zostaną potwierdzone, dostarczą konkretnych dowodów obserwacyjnych na to, że zewnętrzne olbrzymy, takie jak Jowisz, przetrwają ewolucję gwiazdy o małej masie” – piszą autorzy. Potwierdzenie potwierdziłoby również pogląd, że 25–50% białych karłów ma duże planety. To duży krok naprzód w zrozumieniu ich cech charakterystycznych oraz ewolucji.

Ale te wyniki niestety nie dają odpowiedzi na inne pytanie: czy duże planety są odpowiedzialne za wysyłanie śmieci na powierzchnię białych karłów? „Potwierdzenie istnienia tych planet nie jest jednak wystarczające, aby bez dalszych obserwacji w pełni potwierdzić, że to właśnie gazowe olbrzymy napędzają opadanie planetoid na powierzchnie białych karłów”. Odpowiedź na to pytanie mogą dać jedynie obserwacje większej liczby białych karłów, szczególnie za pomocą JWST.

https://arxiv.org/abs/2401.13153

[Slavin]

Astronomowie odkrywają emisję metanu na zimnym brązowym karle.

Na ilustracji: Wizja artystyczna przedstawiająca brązowego karła W1935, oddalonego od nas o 47 lat świetlnych. Źródło: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (Space Telescope Science Institute)


Odkryto emisję metanu na brązowym karle. Naukowcy sugerują, że karzeł może generować zjawiska podobne do zorzy polarnej obserwowanej m.in. na Ziemi.

Korzystając z najnowszych obserwacji z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), naukowcy odkryli emisję metanu na brązowym karle, co stanowi niespodziewane odkrycie dla tak zimnego i odizolowanego obiektu. Wyniki tych badań, opublikowane w czasopiśmie Nature, sugerują, że ten brązowy karzeł może generować zjawiska atmosferyczne podobne do zorzy obserwowanej na naszej planecie, jak również na Jowiszu i Saturnie.

Brązowe karły, bardziej masywne od planet, ale lżejsze od gwiazd, są powszechne w naszym słonecznym sąsiedztwie – zidentyfikowano ich tysiące. W ubiegłym roku Jackie Faherty, starszy naukowiec i kierownik ds. edukacji w Amerykańskim Muzeum Historii Naturalnej, przewodniczyła zespołowi badaczy, którzy otrzymali czas na JWST w celu zbadania 12 brązowych karłów. Wśród nich znalazł się CWISEP J193518.59–154620.3 (w skrócie W1935) – zimny brązowy karzeł oddalony o 47 lat świetlnych, odkryty przez naukowca-wolontariusza Backyard Worlds: Planet 9, Dana Caseldena, oraz zespół NASA CatWISE. W1935 to zimny brązowy karzeł o temperaturze powierzchni około 315 K. Jego masa nie jest dokładnie znana, ale szacuje się, że mieści się w przedziale od 6 do 35 mas Jowisza.

Po przeanalizowaniu obserwacji wielu brązowych karłów wykonanych przez JWST, zespół Faherty zauważył, że W1935 wyróżniał się spośród innych. Jako jedyny emitował metan, gaz, który wcześniej nie był obserwowany na brązowych karłach.

Metanu można się spodziewać na planetach olbrzymich i brązowych karłach, ale zwykle widzimy do pochłaniającego światło, a nie świecącego – powiedziała Faherty, główna autorka badania. Na początku byliśmy zdezorientowani tym, co widzimy, ale ostatecznie przekształciło się to w czyste podekscytowanie odkryciem.

Komputerowe modelowanie wykazało, że brązowy karzeł W1935, może posiadać inwersję temperatury, gdzie atmosfera staje się cieplejsza wraz ze wzrostem wysokości. Inwersje temperatury są powszechne na planetach krążących wokół gwiazd, ale W1935 jest odosobniony i nie ma wyraźnego zewnętrznego źródła ciepła.

Byliśmy mile zaskoczeni, gdy model wyraźnie przewidział inwersję temperatury – powiedział współautor Ben Burningham z University of Hertfordshire. Ale musieliśmy również dowiedzieć się, skąd pochodzi to dodatkowe ciepło w górnej atmosferze.

Aby to zbadać, naukowcy zwrócili się do naszego Układu Słonecznego. W szczególności przyjrzeli się badaniom Jowisza i Saturna, które wykazują emisję metanu i inwersję temperatury. Prawdopodobną przyczyną tej właściwości u olbrzymów Układu Słonecznego są zorze polarne, dlatego zespół badawczy przypuszczał, że odkryto to samo zjawisko na W1935.

Planetolodzy wiedzą, że zorze polarne na Jowiszu i Saturnie są spowodowane przez wysokoenergetyczne cząstki ze Słońca oddziałujące z polami magnetycznymi i atmosferami planet, co prowadzi do nagrzewania górnych warstw. To samo zjawisko powoduje zorze polarne na Ziemi, znane również jako zorza północna lub południowa, które są najjaśniejsze w pobliżu biegunów. Jednak ponieważ W1935 nie ma gwiazdy macierzystej, wiatr słoneczny nie może wyjaśnić tego zjawiska.

Istnieje jeszcze jeden kuszący powód obecności zorzy polarnych w naszym Układzie Słonecznym. Zarówno Jowisz, jak i Saturn mają aktywne księżyce, które okresowo wyrzucają materiał w przestrzeń kosmiczną, wchodząc w interakcje z planetami i wzmacniając zorze na tych światach. Księżyc Jowisza Io jest najbardziej aktywnym wulkanicznie światem w Układzie Słonecznym, wyrzucając fontanny lawy na wysokość dziesiątków kilometrów, podczas gdy księżyc Saturna Enceladus wyrzuca parę wodną ze swoich gejzerów, która jednocześnie zamarza i wrze, gdy uderza w przestrzeń kosmiczną. Potrzebne są dalsze obserwacje, ale naukowcy spekulują, że jednym z wyjaśnień zorzy na W1935 może być aktywny, jeszcze nieodkryty księżyc.

Za każdym razem, gdy astronom kieruje JWST na obiekt, pojawia się szansa na nowe, oszałamiające odkrycie – powiedziała Faherty. Emisja metanu nie była na moim radarze, gdy rozpoczynaliśmy ten projekt, ale teraz, gdy wiemy, że może tam być, a jej wyjaśnienie jest tak kuszące, nieustannie jej szukam. To część tego, jak nauka idzie naprzód.

https://www.amnh.org/about/press-center/methane-emission-brown-dwarf

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07190-w

https://www.urania.edu.pl/wiadomosci/astronomowie-odkrywaja-emisje-metanu-na-zimnym-brazowym-karle

[Slavin]

Detekcja śladów gwiazdy neutronowej w SN 1987A z pomocą Teleskopu Webba.

Na ilustracji: Teleskop Webba dostarczył najbardziej wiarygodne do tej pory dowody obserwacyjne w liniach emisyjnych argonu na istnienie gwiazdy neutronowej w pozostałościach supernowej SN 1987A.
W panelu po lewej zaprezentowano zdjęcie supernowej SN 1987A z „dziurką od klucza” sfotografowane w 2022 roku za pomocą Teleskopu Webba i kamery NIRCam w bliskiej podczerwieni (długości fali: 1,5–4,44 μm). Panel u góry po prawej przedstawia obraz SN 1987A w linii widmowej jednokrotnie zjonizowany argon (Ar II) uzyskany za pomocą MIRI w trybie spektrografu MRS. W panelu na dole po prawej prezentuje zdjęcie tego obiektu w linii pięciokrotnie zjonizowanego argonu (Ar VI) uchwycone za pomocą spektrografu NIRSpec. Na dwóch ostatnich zdjęciach widać silny sygnał pochodzący z obszarów centralnych supernowej wskazujący na obecność wysokoenergetycznego źródła promieniowania – najprawdopodobniej gwiazdy neutronowej.
Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Claes Fransson (Stockholm University), Mikako Matsuura (Cardiff University), M. Barlow (UCL), Patrick Kavanagh (Maynooth University), Josefin Larsson (KTH)


Teleskop Webba znalazł najmocniejszy do tej pory dowód obserwacyjny na emisję promieniowania z gwiazdy neutronowej w mgławicy, która pozostała po wybuchu supernowej SN 1987A.

Ta supernowa wybuchła w Wielkim Obłoku Magellana w odległości około 160 tys. l.św. od Ziemi. SN 1987A jest supernową II typu i zaobserwowano ją na Ziemi w dniu 23 lutego 1987 roku, czyli ponad 37 lat temu. Jest to pierwsza od ponad czterystu lat supernowa zaobserwowana gołym okiem jeszcze przed pojawieniem się teleskopów – ostatnią tak była supernowa Keplera w 1604 roku.

Supernowe typu II, zwane również supernowymi implozyjnymi, różnią się od typu Ia obecnością linii wodoru w ich widmach. Zazwyczaj takie supernowe powstają w wyniku kolapsu jądra gwiazdy masywnej o masie początkowej 8-25 mas Słońca. Źródłem ich energii jest energia potencjalna pola grawitacyjnego rzędu 100 FOE (1053 ergów, FOE - akronim „(ten to the power of) Fifty-One Ergs”), która w ciągu około 10 sekund po kolapsie jądra gwiazdy jest zamieniona głównie w neutrina (sam kolaps jądra trwa ułamek sekundy, a materia jest rozpędzana przy tym do prędkości ~80 tys. km/sek). Około 99,9% tej energii jest uwalniana w postaci neutrin, a większość pozostałej energii jest zamieniana w energię kinetyczną – zaś zaledwie drobny ułamek w postać promieniowania. Mimo to jasność supernowej jest porównywalna z jasnością całej galaktyki.

Około dwie godziny przed detekcją wizualną SN 1987A, w trzech obserwatoriach na Ziemi (Kamiokande II / Japonia, IMB / USA, Baksan / Rosja) zaobserwowano wybuch neutrin trwający zaledwie kilka sekund. Neutrina są obojętnymi elektrycznie cząstkami elementarnymi ekstremalnie małej masie około 500 tys. razy mniejszej niż masa elektronu, które bardzo słabo oddziałują z materią. Dlatego ich detekcja jest ekstremalnie trudna. Są produkowane w ogromnych ilościach (~1058 neutrin) w supernowych implozyjnych. Stąd wynika związek zaobserwowanego wybuchu neutrin w lutym 1987 roku z SN 1987A.

Uzyskano więc jednocześnie unikalne dwa rodzaje obserwacji (neutrina + promieniowanie elektromagnetyczne) dla tej samej supernowej SN 1987A, które są ważnymi dowodami obserwacyjnymi, pozwalającymi rozwinąć teorię kolapsu jądra gwiazdy masywnej w supernowych implozyjnych. Zgodnie z tą teorią podczas kolapsu jądra może powstać gwiazda neutronowa lub czarna dziura. Te zwarte ciała niebieskie posiadają bardzo małe rozmiary rzędu kilometrów, a gwiazdy neutronowe – ekstremalnie dużą gęstość (łyżeczka od herbaty „zaczerpnięta” ze środka gwiazdy neutronowej waży ponad 3 miliardy ton).

Historia ostatnich prób detekcji gwiazdy neutronowej w SN 1987A

Supernowa SN 1987A okazała się supernową typu II. Dlatego oczekuje się, że w jej jądrze powstała gwiazda neutronowa lub czarna dziura. Od dawna szukano dowodów na istnienie tak zwartego obiektu. Obserwacje znacznie starszych pozostałości po supernowych (np. Mgławica Krab) potwierdziły, że w wielu z nich można odkryć gwiazdy neutronowe. Jednak w ostatnich latach znaleziono tylko pośrednie dowody na istnienie gwiazdy neutronowej w SN 1987A.

Na przykład w 2019 roku Matsuura ze współpracownikami opublikował obraz SN 1987A uzyskany za pomocą radioteleskopu ALMA. Widać na nim plamę ogrzanej materii wyrzuconą z okolic centrum wybuchu supernowej. Jednak astronomowie nie mogli jednoznacznie rozstrzygnąć, czy ta ogrzana materia pochodzi z rozpadów promieniotwórczych pierwiastków w rozchodzącej się fali uderzeniowej po wybuchu supernowej, czy też od wysokoenergetycznego promieniowania z wychładzanej gwiazdy neutronowej.





Na ilustracji (2): Obrazy centralnych obszarów pozostałości po supernowych SN 1987A (panel u góry) i Cassiopeia A (panel u dołu – supernowa sprzed około 330 lat) uzyskany przez satelitę rentgenowskiego Chandra.
Panel u góry – po lewej obraz centralnego obszaru SN 1987A wskazuje na obecność wysokoenergetycznego promieniowania, które mogło powstać w obłoku zwanym mgławicą synchrotronową (po prawej wizja artystyczna tego obiektu) składającą się z naładowanych cząstek i pola magnetycznego wygenerowanych przez szybko rotującą gwiazdę neutronową. Gdyby to się potwierdziło, to byłoby to uwieńczenie kilkudziesięciu lat poszukiwań tej gwiazdy neutronowej – najmłodszego pulsara jaki kiedykolwiek został odkryty.
Panel u dołu – obraz centralnego obszaru Cas A – pozostałości po wybuchu supernowej około roku 1690(?) (zakres rentgenowski - barwy: czerwona, zielona i niebieska; zakres optyczny z teleskopu Hubble’a – barwa złota). Jest to przykład supernowej bez mgławicy synchrotronowej, ale z gwiazdą neutronową o temperaturze powierzchniowej ~1,8 miliona stopni. Rentgenowskie linie emisyjne są wzbudzane głównie przez fale uderzeniowe w zewnętrznych obszarach tej mgławicy.
Źródło: Chandra (SN 1987A) - panel u góry oraz Chandra (Cassiopeia A) - panelu u dołu

Jednak do tej pory nie zaobserwowano żadnych bezpośrednich dowodów na istnienie gwiazdy neutronowej w SN 1987A. Dopiero dzięki obserwacjom JWST z 2022 roku odkryto po raz pierwszy wysokoenergetyczne promieniowanie, które mogła wygenerować młoda gwiazd neutronowa.

Teleskop Webba umożliwił przełomowe odkrycie

SN 1987A to był jednym z pierwszych obiektów, które obserwował Teleskop Webba od momentu uruchomienia obserwacji naukowych w lipcu 2022 roku. Do omawianej publikacji pt. „Linie emisyjne wywołane przez promieniowanie jonizujące z kompaktowego obiektu w pozostałości po supernowej 1987A” astronomowie wykorzystali obserwacje z 16 lipca 2022 roku. Zespół badawczy wykorzystał instrument MIRI w trybie spektrografu średniej rozdzielczości MRS (skrót z j.ang. Medium Resolution Spectrograph). MRS jest typem instrumentu znanego jako jednostka pola zintegrowanego IFU (skrót z j.ang. Integral Field Unit), który pozwala na jednoczesne robienie zdjęć ciał niebieskich, jak również ich widm. IFU tworzy widmo dla każdego piksela – co umożliwia śledzenie zmian w widmie wzdłuż tego obiektu. Analiza przesunięć dopplerowskich w każdym widmie pozwala również na wyznaczenie prędkości w każdym pikselu.

W tych widmach zauważono silne linie emisyjne zjonizowanego argonu i siarki występujące w obszarach centralnych SN 1987A, z których pierwotnie została wyrzucona materia podczas wybuchu tej supernowej. Dalsze obserwacje w mniejszych długościach fali (bliska podczerwień) z pomocą IFU oraz spektrografu NIRSpec pozwoliły odkryć nawet bardziej zjonizowane pierwiastki, np. linie emisyjne pięciokrotnie zjonizowanego argonu [Ar VI] – co oznacza utratę pięciu z osiemnastu elektronów w atomach argonu. Takie jony wymagają fotonów o wysokich energiach, aby powstać. Te fotony muszą skądś pochodzić. Według głównego autora omawianej publikacji Claesa Franssona (Stockholm University) w obszarach centralnych mgławicy SN 1987A powinno znajdować się źródło wysokoenergetycznego promieniowania, które wytwarza te zaobserwowane jony. Astronomowie przeanalizowali różne przypadki i doszli do wniosków, że tylko kilka scenariuszy jest prawdopodobnych i wszystkie dotyczą gwiazdy neutronowej.



Na ilustracji (3): Zdjęcie supernowej SN 1987A w zakresie optycznym (okolice linii widmowej Hα) zrobione w 2022 roku (35 lat po wybuchu) przez teleskop Hubble’a. Strzałkami zaznaczono swobodnie ekspandującą materię (j.ang. ejecta) wewnątrz pierścienia równikowego (j.ang. equatorial ring). Białą gwiazdką oznaczono środek pierścienia równikowego. Białe kontury oznacza emisję w linii pięciokrotnie zjonizowanego argonu (Ar VI), która była obserwowana przez spektrograf NIRSpec w Teleskopie Webba. Źródło (CC BY 4.0 DEED): arXiv:2403.04386 [astro-ph.HE]



Na ilustracji (4): Obserwacje obszarów centralnych SN 1987A linii widmowych argonu o różnym poziomie jonizacji [Ar II] i [Ar VI] za pomocą teleskopu Webba i instrumentu MIRI/MRS (górny wiersz F, A, P) oraz spektrografu NIRSpec (dolny wiersz Q, R, S). Etykiety w każdy panelu opisują odpowiedni zakres prędkości mierzony względem prędkości systemowej Sn 1987A.
Panel F przedstawia obraz w linii [Ar II) o prędkości poruszania się odpowiadającej obiektowi zwartemu  w tej mgławicy, panel A – prędkość poruszania się pierścienia równikowego, panel P (różnica: F – A ) pokazuje jak obiekt zwarty dominuje w centrum tego obrazu. W dolnym wierszy (Q, R, S) zaprezentowano analogiczne obrazy dla pięciokrotnie zjonizowanej linii argonu [Ar VI].
Źródło (CC BY 4.0 DEED): arXiv:2403.04386 [astro-ph.HE]

Gwiazda neutronowa w SN 1987A z mgławicą synchrotronową czy bez?

Astronomowie nie zaobserwowali bezpośrednio gwiazdy neutronowej w SN 1987A. Natomiast wywnioskowali to na podstawie wpływu promieniowania gwiazdy neutronowej na jej otoczenie. Astronomowie rozważali dwa główne wyjaśnienia na obserwacje linii widmowych argonu i siarki. Te struktury spektralne mogą pochodzić od promieniowania wygenerowanego przez:
    •  gwiazdę neutronową, która powstała w 1987 roku. Jej temperatura powierzchniowa wynosi ponad milion stopni;
    •  cząstki naładowane elektrycznie, które są przyspieszane w silnym polu magnetycznym pochodzącym od szybko rotującej gwiazdy neutronowej zwanej pulsarem. Podobny mechanizm zwany mgławicą synchrotronową (plerionem) zaobserwowano wokół pulsara w słynnej Mgławicy Krab, która jest pozostałością po wybuchu supernowej z 1054 roku (SN 1054).

Oba te modele dają podobne przewidywania co do wyglądu obserwowanego widma. Aby rozróżnić, który z nich odpowiada rzeczywistej strukturze mgławicy, która pozostała po SN 1987A, konieczne są dalsze obserwacje za pomocą Teleskopu Webba, Teleskopu Hubble’a, jak również teleskopów optycznych w zakresie widzialnym.



Na ilustracji (5): Porównanie teoretycznych jasności w liniach widmowych z zaobserwowanymi przez Teleskop Webba dla dwóch modeli obszaru mgławicy bliskiemu gwieździe neutronowej w SN 1987: mgławica synchrotronowa (j.ang. Pulsar Wind Nebula) vs stygnąca gwiazda neutronowa o temperaturze powierzchniowej ~1,5-3 mln stopni (j.ang. Cooling NS). Czarne gwiazdki oznaczają obserwowane jasności, natomiast czerwone i niebieskie koła – modelowe jasności w liniach widmowych odpowiednio bez uwzględniania absorpcji przez pył oraz z uwzględnieniem. Aktualnie na podstawie obserwacji nie jest możliwe rozróżnienie spektroskopowe, który z modeli lepiej opisuje gwiazdę neutronową w SN 1987A. Konieczne są dalsze obserwacje. Źródło (CC BY 4.0 DEED): arXiv:2403.04386 [astro-ph.HE]



Na ilustracji (6): Połączone zdjęcie mgławicy, która jest pozostałością po supernowej SN 1987A uzyskane za pomocą Teleskopu Webba i emisji w liniach widmowych argonu wskazującej na pozycję obiektu zwartego (ang. compact object) – najprawdopodobniej gwiazdy neutronowej. „Filetowa plamka” wskazuje na położenie tego obiektu emitującego wysokoenergetyczne promieniowanie zarejestrowane przez Teleskop Webba ze spektrografem NIRSpec. Tuż za tą „fioletową plamką” widać szybko rozszerzającą się materię zawierającą większość masy, która została wyrzucona podczas wybuchu supernowej (ang. ejected stellar debris).
Natomiast pierścień wewnętrzny (ang. rings of circumstellar gas – wskazuje na niego jedna z trzech strzałek) wyglądający jak jasny „sznur pereł”, to gaz z zewnętrznych warstw gwiazdy, który został wyrzucony około 20 tys. lat przed wybuchem SN 1987A. Te jasne plamy są wynikiem zderzenia obu struktur materii (gaz wyrzucony podczas wybuchu supernowej pędzący z obecnie z prędkością tysięcy km/sek vs pierścień materii wyrzucony około 20 tys. lat temu). Poza pierścieniem wewnętrznym znajdują się dwa pierścienie zewnętrzne, które powstały najprawdopodobniej w tym samym procesie co pierścień wewnętrzny.
Jasne gwiazdy w tle nie są związane z SN 1987A.



Na ilustracji (7): Obraz supernowej SN 1987A z „dziurką od klucza” sfotografowany za pomocą Teleskopu Webba i kamery NIRCam w bliskiej podczerwieni (długości fali 1,5-4,44 μm), na którym oznaczono główne struktury, kierunki na niebie N-E i skala odpowiadająca 1,5 l.św. w odległości SN 1987A.
W centrum zdjęcia widać, że materia wyrzucona z supernowej utworzyła coś na kształt dziurki od klucza (j.ang. keyhole), po obu stronach której znajdują się słabe struktury w kształcie sierpa (j.ang. crescent). Te ostatnie zostały  zaobserwowane po raz pierwszy przez Teleskop Webba. Dalej widać pierścień równikowy (j.ang. equatorial ring) - pełen jasnych i gorących plam, który powstał jeszcze wcześniej, bo dziesiątki tysięcy lat przed wybuchem tej supernowej. Całość otaczają emisje rozproszonego światła i dwa słabe, zewnętrzne pierścienie (j.ang. outer ring).
Źródło: NASA, ESA, CSA, Mikako Matsuura (Cardiff University), Richard Arendt (NASA-GSFC, UMBC), Claes Fransson (Stockholm University), Josefin Larsson (KTH), Alyssa Pagan (STScI)

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj5796

https://arxiv.org/abs/2403.04386

https://www.jameswebbdiscovery.com/discoveries/james-webb-telescope-detects-neutron-star-in-supernova-remnant-sn-1987a

https://www.science.org/content/article/stellar-remains-famed-1987-supernova-found-last

https://www.urania.edu.pl/wiadomosci/detekcja-sladow-gwiazdy-neutronowej-w-sn-1987a-z-pomoca-teleskopu-webba

[Slavin]

Webb sfotografował „grzywę” mgławicy Koński Łeb.

https://www.urania.edu.pl/wiadomosci/webb-sfotografowal-grzywe-mglawicy-konski-leb

https://www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361/202449198

https://science.nasa.gov/missions/webb/webb-captures-top-of-iconic-horsehead-nebula-in-unprecedented-detail/

https://esawebb.org/images/comparisons/weic2411a/