Jak badać kosmiczne eksplozje

Naukowcy opracowali nowy model, który pozwoli lepiej poznać kosmiczne eksplozje. Niezwykle energetyczne wydarzenia, które mają wpływ nie tylko na swoje najbliższe gwiezdne sąsiedztwo, ale również na regiony znajdujące się znacznie dalej.

Kosmiczne eksplozje powstają w wyniku rożnych wydarzeń, na przykład są napędzane przez zapadanie się żelaznego jądra masywnej gwiazdy (znane jako supernowa z zapadaniem się jądra), pochłanianie gwiezdnych szczątków przez masywną czarną dziurę (znane jako zaburzenie pływowe) i niekontrolowaną fuzję jądrową na powierzchni białego karła (znaną jako supernowa typu 1A). Takie wybuchy zdarzają się często, ale zazwyczaj w odległych galaktykach i dopiero niedawno astronomowie byli w stanie spojrzeć wystarczająco daleko w kosmos, aby je wykryć.

Naukowcy z Syracuse University College of Arts and Sciences, pod kierownictwem Erica Coughlinga, opracowali nowy sposób szybkiego modelowania tych eksplozji i pochodzenia światła, które ostatecznie jest obserwowane. Badania zostały opublikowane w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters.

„Dzięki temu nowemu zrozumieniu możemy modelować emisję z interakcji eksplozji ze środowiskiem, co pozwali nam śledzić jej ewolucję w czasie” – mówi Coughlin.

Od dawna naukowcy wiedzą, że gigantyczne gwiazdy umierają w wyniku własnego kolapsu grawitacyjnego. Dzieje się tak, ponieważ ich zapadanie się prowadzi do odwrotnej implozji, gdy w ich centrum tworzy się gwiazda neutronowa, co prowadzi do eksplozji, która wytwarza niezwykle intensywną i jasną eksplozję – obecnie znaną jako supernowa z kolapsem rdzenia. Te, które występują w naszej galaktyce (lub w innych bardzo pobliskich) można zobaczyć gołym okiem, ale z nich jest obecnie wykrywanych przez nowoczesne teleskopy w tempie kilkudziesięciu na noc.

Inne rodzaje wybuchów są jednak trudniejsze do zidentyfikowania, ponieważ są zbyt odległe lub zbyt szybko zanikają. Na przykład szybko przemijające eksplozje elektromagnetyczne są łatwe do przeoczenia, chyba że astronomom uda zobaczyć je we właściwe miejsce na niebie i we właściwym czasie. A mogą one wyładować porównywalną ilość energii, co standardowa eksplozja supernowej.

„Te eksplozje mogą uwalniać miliardy miliardów miliardów energii bomby atomowej każdego dnia. Takie przejściowe, wysokoenergetyczne zdarzenia występują przez cały czas we Wszechświecie” – podkreśla Coughlin.

Astronomowie starają się odnajdywać kosmiczne eksplozje – szybko ewoluujące zjawiskawe Wszechświecie, które są znane łącznie jako „stanami przejściowymi”, by lepiej poznać je i ich wpływ na otoczenie. Nowy model ma pomóc w tych poszukiwaniach.

Supernowa z kolapsem rdzenia powstaje, gdy nowo utworzona gwiazda neutronowa „odbija się” i odwraca gwiezdną implozję, napędzając falę uderzeniową przez najbardziej zewnętrzne warstwy gwiazdy. Ogromne ilości szczątków supernowej – wyrzut – są wdmuchiwane do gazu otaczającego umierającą gwiazdę.

Wyrzut, zdaniem badaczy, jest początkowo niezwykle gorący i emituje ogromne ilości światła, a radioaktywny rozpad ciężkich pierwiastków atomowych również przyczynia się do emisji. Interakcja między wyrzutem a otaczającym gazem może również uzupełniać, a w niektórych przypadkach dominować, tę emisję, ponieważ generowane są dwie dodatkowe fale uderzeniowe, które przyspieszają otaczający gaz i spowalniają poruszający się na zewnątrz wyrzut.

Ta „skorupa” wstrząśniętego materiału z czasem rozszerza się na zewnątrz, wytwarzając nie tylko światło widzialne, ale także emisje radiowe, które oznaczają obecność podgrzanego szokiem gazu. Nowy model zapewnia nową metodologię śledzenia ewolucji powłoki generowanej przez tę interakcję, którą można wykorzystać wraz z danymi radiowymi do wnioskowania o właściwościach jakie mają kosmiczne eksplozje, takie jak ich energia.

Naukowcy zastosują swój model do danych z Legacy Survey of Space and Time (LSST), który zostanie przeprowadzony przez Vera C. Rubin Observatory, które ma zostać uruchomione w przyszłym roku w Andach w Chile. Obserwatorium przeprowadzi 10-letni przegląd nieba, który dostarczy ogromnych ilości danych astronomicznych, które badacze przeanalizują, aby dowiedzieć się więcej o Wszechświecie.

Obserwatorium Rubin będzie składać się z 8,4-metrowego teleskopu połączonego z 3,2-gigapikselową kamerą, która jest największym aparatem cyfrowym kiedykolwiek stworzonym dla astronomii.

Teleskop będzie obrazował całe widoczne niebo na półkuli południowej co trzy do czterech nocy, umożliwiając wykrywanie dalszych i ciemniejszych obiektów, które na krótko zmieniają jasność lub kierunek.

„W ciągu najbliższych 10 lat będziemy obserwować miliardy galaktyk, a następnie odpowiednio miliony tych stanów przejściowych, które są spowodowane wieloma różnymi zjawiskami” – podsumowuje Coughlin.

Emil Gołoś