La Nebulosa del Granchio è un esempio vicino dei detriti lasciati quando una stella subisce una morte violenta in un’esplosione di supernova. Tuttavia, nonostante decenni di studio, questo resto di supernova continua a mantenere un certo grado di mistero: che tipo di stella è stata responsabile della creazione della Nebulosa del Granchio e quale era la natura dell’esplosione? Il telescopio spaziale James Webb di NASA/ESA/CSA ha fornito una nuova visione della Nebulosa del Granchio, inclusi i dati a infrarossi di più alta qualità finora disponibili per aiutare gli scienziati nell’esplorazione della struttura dettagliata e della composizione chimica dei resti. Questi indizi stanno aiutando a svelare il modo insolito in cui la stella è esplosa circa 1000 anni fa.
Un team di scienziati ha utilizzato il telescopio spaziale James Webb per analizzare la composizione della Nebulosa del Granchio, un resto di supernova situato a 6500 anni luce di distanza nella costellazione del Toro. Con lo strumento MIRI (Mid-Infared Instrument) e la NIRCam (Near-Infrared Camera), il team ha raccolto dati che stanno aiutando a chiarire la storia della Nebulosa del Granchio.
Le caratteristiche della Nebulosa del Granchio
La Nebulosa del Granchio è il risultato di una supernova a collasso nucleare che ha causato la morte di una stella massiccia. L’esplosione della supernova stessa è stata osservata sulla Terra nel 1054 d.C. ed era abbastanza luminosa da essere osservata durante il giorno. I resti molto più deboli osservati oggi sono un guscio in espansione di gas e polvere e un vento in uscita alimentato da una pulsar, una stella di neutroni in rapida rotazione e altamente magnetizzata.
La Nebulosa del Granchio è anche molto insolita. La sua composizione atipica e l’energia di esplosione molto bassa hanno in precedenza portato gli astronomi a pensare che si trattasse di una supernova a cattura elettronica, un raro tipo di esplosione che nasce da una stella con un nucleo meno evoluto fatto di ossigeno, neon e magnesio, piuttosto che un nucleo di ferro più tipico.
Le ricerche passate hanno calcolato l’energia cinetica totale dell’esplosione in base alla quantità e alle velocità dell’attuale materiale espulso. Gli astronomi hanno dedotto che la natura dell’esplosione era di energia relativamente bassa (meno di un decimo di quella di una normale supernova) e che la massa della stella progenitrice era compresa tra otto e dieci masse solari, in bilico sulla sottile linea tra le stelle che subiscono una morte violenta da supernova e quelle che non la subiscono.
Tuttavia, esistono incongruenze tra la teoria della supernova a cattura elettronica e le osservazioni del Granchio, in particolare il rapido movimento osservato della pulsar. Negli ultimi anni, gli astronomi hanno anche migliorato la loro comprensione delle supernovae con collasso del nucleo di ferro e ora pensano che questo tipo possa anche produrre esplosioni a bassa energia, a condizione che la massa stellare sia sufficientemente bassa.
Lo studio con Webb
Per ridurre il livello di incertezza sulla stella progenitrice del Granchio e sulla natura dell’esplosione, il team scientifico ha utilizzato le capacità spettroscopiche di Webb per concentrarsi su due aree situate all’interno dei filamenti interni del Granchio.
Le teorie prevedono che, a causa della diversa composizione chimica del nucleo in una supernova a cattura elettronica, il rapporto di abbondanza di nichel su ferro (Ni/Fe) dovrebbe essere molto più alto del rapporto misurato nel nostro Sole (che contiene questi elementi da precedenti generazioni di stelle). Studi alla fine degli anni ’80 e all’inizio degli anni ’90 hanno misurato il rapporto Ni/Fe all’interno della Nebulosa del Granchio utilizzando dati ottici e nel vicino infrarosso e hanno notato un elevato rapporto di abbondanza di Ni/Fe che sembrava favorire lo scenario della supernova a cattura elettronica.
Il telescopio Webb, con le sue sensibili capacità nell’infrarosso, sta ora facendo progredire la ricerca sulla Nebulosa del Granchio. Il team ha utilizzato le capacità spettroscopiche di MIRI per misurare le linee di emissione di nichel e ferro, ottenendo una stima più affidabile del rapporto di abbondanza di Ni/Fe. Hanno scoperto che il rapporto era ancora elevato rispetto al Sole, ma solo modestamente e molto più basso rispetto alle stime precedenti.
I valori rivisti sono coerenti con la cattura elettronica, ma non escludono un’esplosione con collasso del nucleo di ferro da una stella di massa simile. Si prevede che le esplosioni ad alta energia da stelle di massa più elevata producano rapporti Ni/Fe più vicini alle abbondanze solari. Saranno necessari ulteriori lavori osservativi e teorici per distinguere tra queste due possibilità.
Oltre a estrarre dati spettrali da due piccole regioni dell’interno della Nebulosa del Granchio per misurare il rapporto di abbondanza, il telescopio ha anche osservato l’ambiente più ampio dei resti per comprendere i dettagli dell’emissione di sincrotrone e la distribuzione della polvere.
Le immagini e i dati raccolti da MIRI hanno permesso al team di isolare l’emissione di polvere all’interno della Nebulosa del Granchio e di mapparla ad alta risoluzione per la prima volta. Mappando l’emissione di polvere calda con Webb e persino combinandola con i dati dell’Herschel Space Observatory sui grani di polvere più freddi, il team ha creato un quadro completo della distribuzione della polvere: i filamenti più esterni contengono polvere relativamente più calda, mentre i grani più freddi sono prevalenti vicino al centro.
Questi risultati sono stati accettati per la pubblicazione sulla rivista The Astrophysical Journal Letters.
