[:it]SN1987A ai raggi X: onde d’urto, materiale circumstellare e produzione di ossigeno descritti in due articoli recenti[:en]X-rays from SN1987A: shocks, circumstellar clouds and ionised oxygen described in two recent publications[:]

[:it]Analisi delle osservazioni ai raggi X del resto di supernova SN1987A, ottenute dal satellite XMM-Newton, forniscono nuovi dettagli sull’interazione tra l’onda d’urto generata dalla supernova e il materiale circumstellare, nonché sull’abbondanza di ossigeno presente nel resto di supernova.

Il resto di supernova SN1987A è senza dubbio uno degli oggetti più iconici per lo studio delle supernove, dei loro resti e delle stelle massicce al termine della loro evoluzione. Esplosa nel 1987 nella Grande Nube di Magellano, generata da una stella supergigante blu, rappresenta il caso più vicino a noi di supernova esplosa in epoca moderna. È l’unico caso, quindi, in cui disponiamo di osservazioni multibanda e multimessaggero (inclusa la rilevazione di neutrini), sia della stella progenitrice, sia della supernova che del resto di supernova. Quest’ultimo è costantemente monitorato in tutte le bande dello spettro elettromagnetico per seguirne l’evoluzione e comprendere i complessi processi fisici in atto.

In particolare, le osservazioni ai raggi X permettono di studiare i processi ad alta energia che si verificano all’interno del resto, e di determinare le proprietà fisiche del plasma a milioni di gradi e degli elementi chimici in elevati stati di ionizzazione.

L’emissione ai raggi X di SN1987A è stata monitorata nel corso degli anni anche dal satellite XMM-Newton dell’Agenzia Spaziale Europea. L’analisi di questi dati è oggetto di due pubblicazioni guidate dall’astrofisico Sun Lei dell’Università di Nanchino.

Lo studio intitolato “Evolution of X-Ray Gas in SN 1987A from 2007 to 2021: Ring Fading and Ejecta Brightening Unveiled through Differential Emission Measure Analysis” presenta un’analisi dettagliata delle osservazioni effettuate tra il 2007 e il 2021. In particolare, gli autori hanno studiato la variazione nel tempo della misura di emissione della radiazione X, una grandezza legata alla quantità di plasma ad alta temperatura responsabile dell’emissione. È stato rilevato un picco di emissione proveniente da plasma con temperature tra 5 e 12 milioni di gradi, con un contributo da plasma ancora più caldo, oltre i 58 milioni di gradi. Questo picco si è spostato verso temperature sempre più alte tra il 2011 e il 2014, periodo in cui l’onda d’urto della supernova ha investito un anello di materiale circumstellare precedentemente espulso dalla stella progenitrice, perdendo successivamente intensità man mano che l’onda d’urto lasciava la nube a forma di anello. Nel frattempo, è stato osservato lo sviluppo di un secondo picco di emissione, proveniente da plasma a temperature di 30-60 milioni di gradi. Questo picco di emissione secondario in realtà è di grande importanza, in quanto proviene dai frammenti della stella espulsi durante l’esplosione della supernova (gli ejecta), compressi e riscaldati da onde d’urto inverse, generate dall’interazione tra l’onda principale e il materiale circumstellare. Quest’emissione è stata prevista dai modelli, ma mai osservata finora.

Il secondo studio, intitolato “Unusual X-Ray Oxygen Line Ratios of SN 1987A Arising from the Absorption of Galactic Hot Interstellar Medium”, presenta un’analisi spettroscopica dell’emissione X di atomi di ossigeno ionizzati, rimasti con uno o due elettroni (ossia in stati simili a idrogeno o elio). I segnali osservati sembrano essere influenzati dall’assorbimento dei raggi X da parte del plasma caldo e diffuso che popola l’alone della Via Lattea. Tenendo conto di questo assorbimento, l’abbondanza di ossigeno nel resto di supernova risulta maggiore di circa il 20% rispetto a stime precedenti.

Entrambi gli articoli sono stati pubblicati sulla rivista The Astrophysical Journal, con la partecipazione degli astrofisici S. Orlando ed E. Greco dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo e M. Miceli dell’Università degli Studi di Palermo.

L’immagine di copertina (cliccare qui per visualizzarla interamente) mostra la porzione dello spettro contenente le righe di ossigeno analizzate nello studio, evidenziate nei riquadri. Le croci indicano i valori osservati, mentre le linee rappresentano i modelli utilizzati per l’analisi delle righe e per la determinazione delle proprietà chimico-fisiche del plasma.

Mario Giuseppe Guarcello

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The SN1987A supernova remnant is undoubtedly one of the most iconic objects for studying supernovae, their remnants, and the final stages of massive stellar evolution. It exploded in 1987 in the Large Magellanic Cloud, originating from a blue supergiant star, and represents the closest observed supernova in modern times. It is the only case where we have multi-wavelength and multi-messenger observations (including neutrino detection) of the progenitor star, the supernova explosion, and the resulting remnant. The remnant is continuously monitored across the entire electromagnetic spectrum to follow its evolution and understand the complex physical processes occurring within it.

In particular, X-ray observations allow researchers to study high-energy processes taking place in the remnant and to derive the physical properties of million-degree plasma and highly ionized chemical elements.

X-ray emission from SN1987A has been monitored over the years by the European Space Agency XMM-Newton satellite. The analysis of these data is the subject of two publications led by astrophysicist Sun Lei from Nanjing University.

The first study, titled “Evolution of X-Ray Gas in SN 1987A from 2007 to 2021: Ring Fading and Ejecta Brightening Unveiled through Differential Emission Measure Analysis”, presents a detailed analysis of observations taken between 2007 and 2021. In particular, the authors examined the temporal variation of the X-ray emission measure, a quantity related to the amount of high-temperature plasma responsible for the X-ray radiation. They found a peak emission from plasma with temperatures between about 5 and 12 million degrees, with an additional contribution from plasma exceeding 58 million degrees. This emission peak shifted to progressively higher temperatures between 2011 and 2014, corresponding to the impact of the supernova shock wave with a ring of circumstellar material previously expelled by the progenitor. The intenstiy of this emission peak decreased as the forward shock left the equatorial ring. However, in the meantime a secondary peak due to emission from 30-60 million degrees plasma rised. This secondary peak is of great importance, being emitted by the fragments of the progenitor ejected by the supernova, and compressed and heated by the reverse shocks, which develop as a consequence of the interaction between the forward shock and the circumstellar material. This emission has been suggested by theoretical models, but never observed so far.

The second study, titled “Unusual X-Ray Oxygen Line Ratios of SN 1987A Arising from the Absorption of Galactic Hot Interstellar Medium”, presents a spectroscopic analysis of the X-ray emission from ionized oxygen atoms retaining one or two electrons (i.e., in hydrogen-like or helium-like states). The observed signals appear to be affected by the absorption of X-rays by the diffuse, hot plasma that fills the Milky Way’s halo. Taking this absorption into account, the oxygen abundance in the supernova remnant is estimated to be about 20% higher than previous measurements.

Both articles were published in The Astrophysical Journal, with contributions from astrophysicists S. Orlando and E. Greco from INAF – Palermo Astronomical Observatory and M. Miceli from the University of Palermo.

The cover image (click here to view in full) shows the portion of the spectrum containing the oxygen lines analyzed in the study, particularly those highlighted in the boxes. The crosses indicate the observed data points, while the various line types represent the models used to study these lines and to determine the chemical and physical properties of the plasma.