Po eksplozji supernowę przez tygodnie i miesiące może rozświetlać radioaktywność
Widzialne światło supernowej nie musi być bezpośrednim „blaskiem wybuchu”. W wielu typach supernowych ogromne znaczenie ma radioaktywny nikiel-56 wytworzony podczas eksplozji. Rozpada się on do kobaltu-56, a ten do stabilnego żelaza-56. Energia produktów rozpadu jest pochłaniana i przetwarzana przez rozszerzające się szczątki na promieniowanie obserwowane jako krzywa blasku. W SN 1987A wykryto charakterystyczne linie gamma kobaltu-56, potwierdzając, że nukleosynteza i późniejsze świecenie supernowej są ze sobą bezpośrednio połączone.
Eksplozja i światło to nie to samo
Supernowa rozpędza ogromną ilość materii, ale energia kinetyczna wyrzutu nie zamienia się automatycznie w długotrwałe światło widzialne. W różnych klasach supernowych krzywe blasku mogą być zasilane przez kilka procesów: energię początkowego ogrzania, rekombinację wodoru, oddziaływanie wyrzutu z otoczeniem lub dodatkowe źródło centralne. Jednym z najważniejszych mechanizmów, szczególnie dla supernowych typu Ia i późnych faz wielu supernowych zapadnięcia jądra, jest jednak rozpad świeżo zsyntetyzowanych izotopów promieniotwórczych.
Łańcuch nikiel–kobalt–żelazo
Eksplozja może wytworzyć znaczne ilości niklu-56. Izotop ten jest nietrwały: rozpada się do kobaltu-56, który następnie rozpada się do stabilnego żelaza-56. W tych przemianach uwalniana jest energia m.in. w postaci promieniowania gamma oraz cząstek. Na początku gęste szczątki skutecznie pochłaniają znaczną część tej energii. Zamiast zobaczyć wyłącznie wysokoenergetyczne fotony, obserwujemy energię wielokrotnie przetworzoną przez materię i wypromieniowaną na dłuższych falach. Dlatego tempo zaniku niektórych krzywych blasku jest powiązane z czasami rozpadu radioaktywnych jąder.
SN 1987A dała fizyczny „podpis”
Supernowa 1987A była kluczowym laboratorium. W 1987 roku detektory wysokoenergetyczne zarejestrowały linie promieniowania gamma związane z rozpadem kobaltu-56. Było to mocne, bezpośrednie potwierdzenie obrazu, w którym eksplozja syntetyzuje nikiel-56, ten przechodzi w kobalt-56, a uwalniana energia zasila późną emisję supernowej. Nie trzeba więc wyłącznie dopasowywać kształtu krzywej blasku — można zobaczyć charakterystyczne linie pochodzące od produktów przemian jądrowych.
Krzywa blasku jest narzędziem diagnostycznym
Jeśli znamy mechanizm ogrzewania, jasność i tempo spadku blasku pozwalają oszacować ilość wytworzonego niklu oraz sposób, w jaki materia jest rozmieszczona i miesza się po eksplozji. Z czasem wyrzut staje się coraz bardziej przezroczysty dla promieni gamma, więc coraz większa część energii może uciekać bez termalizacji. Wtedy proste utożsamienie jasności z tempem rozpadu przestaje być dokładne. Samo odchylenie od idealnego zaniku niesie więc informację o gęstości, geometrii i ewolucji szczątków.
Kosmiczna katastrofa zamienia się w eksperyment jądrowy
Ta ciekawostka łączy skalę gwiazdy z fizyką pojedynczych jąder atomowych. To, jak obiekt o masie gwiazdy świeci miesiące po eksplozji, może zależeć od czasów rozpadu konkretnego izotopu. Astronomowie wykorzystują w ten sposób supernowe jako laboratoria nukleosyntezy: obserwując światło, widma i linie gamma, odtwarzają, jakie jądra zostały wytworzone oraz jak energia ich rozpadu przepływała przez ekspandującą materię.
Rozszerzający się wyrzut stopniowo przestaje więzić gamma
Na początku materia supernowej jest tak gęsta, że znaczna część energii promieniowania gamma z rozpadów radioaktywnych zostaje pochłonięta i zdeponowana w wyrzucie. Energia ta ogrzewa gaz, a ten emituje promieniowanie o niższych energiach, które ostatecznie obserwujemy jako światło supernowej. Wraz z rozszerzaniem gęstość gwałtownie maleje i coraz większa część fotonów gamma może uciekać bez oddania całej energii. Dlatego późna krzywa blasku nie jest prostym zegarem jednego izotopu: trzeba uwzględniać także zmieniającą się przezroczystość wyrzutu i jego geometrię. Bezpośrednie wykrycie linii gamma z rozpadu kobaltu-56 w SN 1987A było szczególnie ważne, bo pokazało produkty nukleosyntezy w sposób mniej pośredni niż samo dopasowanie jasności optycznej. Radioaktywność jest więc jednocześnie źródłem energii i sondą budowy rozszerzających się szczątków.