Ponowna analiza M31-2014-DS1: Dlaczego „znikająca” gwiazda z Galaktyki Andromedy podważa teorię nieudanych supernowych

Ponowna ocena M31-2014-DS1: Dlaczego „znikająca” gwiazda z Galaktyki Andromedy podważa teorie nieudanych supernowych

In 2014 roku astronomowie monitorujący Galaktykę Andromedy (M31) byli świadkami rzadkiego i zagadkowego kosmicznego zniknięcia. Masywny żółty nadolbrzym, oznaczony jako M31-2014-DS1, zaczął gwałtownie przygasać, aż w końcu zniknął z pola widzenia optycznego. Przez lata wiodący konsensus naukowy sugerował, że była to „nieudana supernowa” – spektakularne zdarzenie, w którym masywna gwiazda omija etap jasnej eksplozji i zapada się bezpośrednio w czarną dziurę. Jednak nowe badanie przeprowadzone przez Noama Sokera z Technion - Israel Institute of Technology sugeruje, że ten „akt zniknięcia” może nie być tym, czym się wydaje. Poprzez ponowną ocenę parametrów fizycznych wymaganych do wystąpienia nieudanej supernowej, Soker argumentuje, że taki scenariusz jest matematycznie mało prawdopodobny, a gwiazda może wciąż tam być, jedynie ukryta za zasłoną kosmicznego pyłu.

Hipoteza nieudanej supernowej

Koncepcja nieudanej supernowej jest kamieniem węgielnym współczesnego „napędzanego neutrinami” mechanizmu śmierci gwiazd. W tym modelu, gdy jądro masywnej gwiazdy zapada się, wynikający z tego potok neutryn unosi znaczną ilość masy-energii. Ta nagła utrata przyciągania grawitacyjnego powoduje rozszerzanie się zewnętrznych warstw gwiazdy. Podczas gdy większość gwiazdy zapada się w czarną dziurę, niewielka część otoczki zostaje wyrzucona w przestrzeń kosmiczną, a część materiału ostatecznie opada z powrotem w stronę nowo powstałej osobliwości. Ten materiał „powrotny” (fallback) ma teoretycznie tworzyć dysk akrecyjny, zasilający słabe dżety i zjawisko przejściowe o niskiej jasności, któremu brakuje blasku standardowej supernowej.

W przypadku M31-2014-DS1 badacze wcześniej sugerowali, że nastąpiła dokładnie taka sekwencja zdarzeń, pozostawiając po sobie czarną dziurę o masie około pięciu mas Słońca. Atrakcyjność tej teorii polega na jej zdolności do wyjaśnienia, dlaczego niektóre z najmasywniejszych gwiazd we wszechświecie wydają się znikać bez oczekiwanych fajerwerków. Pomaga to również wyjaśnić problem „brakujących czerwonych nadolbrzymów” – obserwację, że dostrzegamy mniej masywnych prekursorów supernowych, niż przewidują modele ewolucji gwiazd.

Wyzwanie precyzyjnego dostrajania

W swoich najnowszych badaniach Noam Soker kwestionuje wykonalność tego modelu, określając go mianem „scenariusza nieudanej nieudanej supernowej”. Według Sokera, specyficzne warunki wymagane do dopasowania do obserwacji M31-2014-DS1 są niezwykle wąskie i fizycznie mało prawdopodobne. Model nieudanej supernowej wymaga, aby mniej niż 1% powracającej materii został faktycznie pochłonięty przez czarną dziurę. Gdyby skonsumowane zostało więcej materiału, powstałe dżety byłyby znacznie bardziej energetyczne niż to, co zaobserwowano w Andromedzie.

Soker wskazuje na rażącą sprzeczność w czasie trwania tego zdarzenia. Zaproponowany model sugeruje, że dżety napędzane akrecją muszą pozostać aktywne przez ponad dekadę, aby wyjaśnić krzywą blasku, a jednocześnie te same dżety muszą w jakiś sposób nie zablokować dopływu gazu przez ten sam czas. „Uważam ten wymóg precyzyjnego dostrojenia za mało prawdopodobny” – pisze Soker w swojej analizie, zauważając, że fizyczne pętle sprzężenia zwrotnego między akreującym gazem a wychodzącymi dżetami zazwyczaj regulują takie układy znacznie bardziej agresywnie. Prawdopodobieństwo utrzymania przez system tak delikatnej, dziesięcioletniej nierównowagi jest, zdaniem Sokera, bliskie zeru.

Konwekcja i fluktuacje momentu pędu

Znaczna część krytyki Sokera skupia się na roli konwekcji przed zapadnięciem się wewnątrz żółtego nadolbrzyma. Zanim gwiazda się zapadnie, jej zewnętrzne warstwy są wrzącym kotłem komórek konwekcyjnych. Komórki te posiadają stochastyczny – czyli losowy – moment pędu. Kiedy gwiazda się zapada, to „zawirowanie” nie znika; to ono dyktuje, jak materia powrotna oddziałuje z czarną dziurą.

Soker argumentuje, że nawet jeśli gwiazda jako całość obracała się powoli, turbulencje wewnętrzne byłyby wystarczające do utworzenia przerywanych dysków akrecyjnych. Dyski te nieuchronnie wystrzeliwałyby dżety w procesie, który Soker identyfikuje z mechanizmem wybuchu z drgającymi dżetami (Jittering Jets Explosion Mechanism – JJEM). „Materiał powrotny posiada duże fluktuacje momentu pędu spowodowane konwekcją otoczki sprzed kolapsu” – wyjaśnia Soker. Jego obliczenia sugerują, że te fluktuacje wytworzyłyby dżety o energii wystarczającej do wywołania znacznie jaśniejszej eksplozji, zamiast słabego, zanikającego blasku zaobserwowanego w 2014 roku. Fakt, że M31-2014-DS1 nie wybuchła gwałtownie, sugeruje, że do zapadnięcia się jądra mogło w ogóle nie dojść.

Rozbieżności radiacyjne i alternatywne scenariusze

Poza mechaniką akrecji Soker identyfikuje rozbieżność w obserwowanym świetle. W scenariuszu nieudanej supernowej interakcja między wychodzącymi dżetami a otaczającym gazem gwiezdnym powinna wytwarzać znaczne promieniowanie w miarę stygnięcia materiału. Jednak analiza Sokera wykazała, że oczekiwane promieniowanie z takiej strefy chłodzenia byłoby co najmniej o rząd wielkości wyższe niż wartości wykryte przez teleskopy. To niedopasowanie dodatkowo osłabia argumenty za narodzinami czarnej dziury.

Jeśli więc nie nieudana supernowa, to co stało się z gwiazdą? Soker wskazuje na alternatywę: optyczne zjawisko przejściowe o pośredniej jasności typu II (Intermediate-Luminosity Optical Transient – ILOT). W tym scenariuszu gwiazda jest częścią układu podwójnego, który przeszedł gwałtowną interakcję lub częściowe połączenie. Takie zdarzenia mogą wyrzucać ogromne ilości gazu, który szybko kondensuje w pył. Pył ten działa jak kosmiczny „całun”, blokując światło gwiazdy i sprawiając, że wydaje się ona zniknąć. „Przygasanie jest spowodowane wyrzutem pyłu w gwałtownej interakcji podwójnej” – sugeruje Soker, zauważając, że to wyjaśnienie pasuje do obserwowanych danych bez konieczności przyjmowania „mało prawdopodobnych, precyzyjnie dostrojonych parametrów”.

Implikacje dla ewolucji gwiazd

Debata nad M31-2014-DS1 ma głębokie implikacje dla naszego rozumienia cykli życia najmasywniejszych gwiazd we wszechświecie. Jeśli nieudane supernowe są tak rzadkie, jak sugeruje Soker, oznaczałoby to, że większość masywnych gwiazd rzeczywiście kończy swoje życie w jasnych eksplozjach, a nasze obecne modele „napędzane neutrinami” mogą wymagać znacznej rewizji. Sugerowałoby to również, że „brakujący” prekursorzy nie znikają w czarnych dziurach, lecz być może są przesłaniani przez własną utratę masy w późnym stadium rozwoju lub interakcje w układach podwójnych.

Praca Sokera jest zbieżna z innymi niedawnymi badaniami, takimi jak te przeprowadzone przez Beasor et al. (2026), które wykorzystują dane z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) i Submillimeter Array (SMA). Obserwacje te nie wykazały wysokoenergetycznych sygnatur – takich jak specyficzne strumienie rentgenowskie – których można by oczekiwać od nowo powstałej czarnej dziury aktywnie akreującej materię. Zamiast tego dane w podczerwieni sugerują niesferyczną dystrybucję pyłu, co jest cechą charakterystyczną interakcji gwiazd podwójnych, a nie bardziej symetrycznego zapadnięcia się pojedynczej gwiazdy.

Co dalej z tajemnicą Andromedy

Ostatecznym testem teorii Sokera o „nieudanej nieudanej supernowej” będzie czas. Jeśli gwiazda jest jedynie ukryta za powłoką pyłu wyrzuconego podczas interakcji w układzie podwójnym, pył ten w końcu rozszerzy się i rozrzedzi, lub gwiazda wysunie się poza tę zasłonę. Soker wcześniej przewidywał, że M31-2014-DS1 w końcu pojawi się ponownie – „zmartwychwstanie”, które definitywnie obaliłoby teorię zapadnięcia się w czarną dziurę.

Przyszłe badania skupią się na długoterminowym monitorowaniu tego miejsca w falach podczerwonych i radiowych. W miarę jak teleskopy takie jak JWST będą nadal zaglądać przez pył Galaktyki Andromedy, astronomowie mają nadzieję znaleźć „niezbity dowód” – albo słabe, trwałe ciepło ukrytego układu podwójnego, albo jednoznaczną ciszę czarnej dziury. Na razie przypadek znikającego nadolbrzyma pozostaje przestrogą przed zawiłościami śmierci gwiazd i niebezpieczeństwem zakładania, że gdy gwiazda znika, to znika na dobre.