Инновационная модель предлагает астрономам новый способ анализа мощных космических взрывов

Взрыв массивной звезды приводит к выбросу ее оболочки, и этот «выброс» расширяется со временем и взаимодействует со средой, окружающей звезду в момент ее смерти. Взаимодействие создает две ударные волны и контактный разрыв, которые в совокупности известны как «оболочка», которые рассеивают кинетическую энергию за счет производства большего количества света. Новая модель Эрика Кофлина отслеживает зависящую от времени эволюцию этой оболочки, что может быть использовано наряду с наблюдениями этих высокоэнергетических событий, чтобы позволить понять физику, питающую астрономические взрывы. Автор: Eric Coughlin/Syracuse University

Астрофизические взрывы, если привести несколько примеров, вызваны коллапсом железного ядра массивной звезды (известный как сверхновая с коллапсом ядра), поглощением спагеттифицировавших звездных останков массивной черной дырой (известный как событие приливного разрушения) и неуправляемым ядерным синтезом на поверхности белого карлика (известный как сверхновая типа 1A). Такие взрывы происходят часто, но чаще всего в далеких галактиках, и только недавно астрономы смогли заглянуть достаточно далеко в космос, чтобы обнаружить их в значительном количестве — и еще больше их на подходе.

Эрик Кофлин, доцент кафедры физики в Колледже искусств и наук Сиракузского университета, разработал новый способ быстрого моделирования этих взрывов и происхождения света, который мы в конечном итоге видим. Его исследование было опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.

«Благодаря этому новому пониманию мы можем моделировать излучение, возникающее при взаимодействии взрыва с окружающей средой, что позволяет нам отслеживать его эволюцию с течением времени», — говорит Кофлин.

На протяжении многих лет астрономы знали, когда гигантская звезда умирает под действием собственного гравитационного коллапса. Это происходит потому, что ее коллапс приводит к обратному схлопыванию, поскольку в ее центре формируется нейтронная звезда, что приводит к взрыву, который производит чрезвычайно интенсивную и яркую вспышку — теперь известную как сверхновая с коллапсом ядра. Те, которые происходят в нашей галактике (или в других и очень близких галактиках), можно увидеть невооруженным глазом, но сегодня многие сверхновые обнаруживаются современными телескопами со скоростью десятков за ночь.

Однако другие виды взрывов сложнее идентифицировать, поскольку они слишком далеки или слишком быстро тускнеют. Например, быстро затухающие электромагнитные выбросы легко пропустить, если только мы не смотрим на правильное место на небе в правильное время. Тем не менее, они могут выбрасывать сопоставимое количество энергии, как стандартный взрыв сверхновой.

«Эти взрывы могут высвобождать миллиарды миллиардов миллиардов атомных бомб каждый день», — говорит Кофлин. «Такие кратковременные, высокоэнергетические события происходят во вселенной все время».

Астрономы ищут открытия, касающиеся коллапсирующих сверхновых и других ярких, быстро развивающихся явлений в космосе, известных под общим названием «транзиенты». Новая модель Кофлина поможет в этом поиске.

Сверхновая с коллапсом ядра происходит, когда новообразованная нейтронная звезда «отскакивает» и обращает вспять звездный имплоз, вызывая ударную волну через внешние слои звезды. Огромное количество обломков сверхновой — или выбросов — выбрасывается в газ, окружающий умирающую звезду.

Выброс изначально чрезвычайно горячий и излучает огромное количество света, а радиоактивный распад тяжелых атомных элементов также вносит свой вклад в излучение. Взаимодействие между выбросом и окружающим газом также может дополнять — а в некоторых случаях и доминировать — это излучение, поскольку генерируются две дополнительные ударные волны, которые ускоряют окружающий газ и замедляют движущийся наружу выброс.

Эта «оболочка» из ударного материала расширяется со временем, производя не только видимый свет, но и радиоизлучение, которое указывает на присутствие газа, нагретого ударным взрывом. Модель Кофлина предлагает новую методологию для отслеживания эволюции оболочки, которая образуется в результате этого взаимодействия, и которую можно использовать вместе с радиоданными для определения свойств взрыва, таких как его энергия.

Кофлин применит свою модель к данным Legacy Survey of Space and Time (LSST), который будет проводиться обсерваторией Веры К. Рубин, которая должна начать работу в следующем году в Андах в Чили. Обсерватория Рубин проведет 10-летнее исследование неба, которое предоставит огромные объемы астрономических данных, которые астрономы будут анализировать, что приведет к новым открытиям о зависящей от времени Вселенной.

Обсерватория Рубина оснащена 8,4-метровым телескопом мирового класса, соединенным с 3,2-гигапиксельной камерой, которая является крупнейшей цифровой камерой, когда-либо созданной для астрономии.

Телескоп будет получать изображения всего видимого неба Южного полушария каждые три-четыре ночи, что позволит ему обнаруживать более отдаленные или более тусклые объекты, яркость или направление которых на короткое время изменяются.

«В течение следующих 10 лет мы будем наблюдать миллиарды галактик, а затем, соответственно, миллионы таких переходных процессов, вызванных множеством различных явлений», — говорит Кофлин.

Открытый набор данных обсерватории Рубина будет больше и подробнее всех предыдущих.

«Как астроном-теоретик, я пытаюсь собрать из этих данных связную картину взрывных явлений там», — говорит Кофлин. «И я попытаюсь понять физику происходящих явлений, чтобы воссоздать эти взрывные события».

Однако для стимулирования ранних открытий необходимы междисциплинарные исследования.

Кофлин получил стипендию "Scialog". Первая сессия Scialog пройдет в ноябре в Тусоне, штат Аризона, чтобы наладить связи между 50 начинающими учеными: астрономами-наблюдателями, космологами, физиками-теоретиками и астрофизиками, вычислительными моделлерами, специалистами по данным и инженерами-программистами.

Участники Scialog планируют воспользоваться беспрецедентным размером набора данных, активизируя совместные проекты.

«Мы говорим о петабайтах (миллион гигабайт) данных, с которыми нужно работать и которые нужно просеивать», — говорит Кофлин. «Мы объединим людей из разных дисциплин, которые будут думать о решениях проблем, связанных с огромными объемами данных или новыми методами использования этих данных для выяснения чего-то нового. Обсерватория Рубина поможет нам получить представление о смерти массивных звезд, когда они происходят и производят огромное количество энергии. В конечном итоге мы могли бы узнать, что питает некоторые из этих энергетических событий».

Больше информации: Eric R. Coughlin, From Coasting to Energy-conserving: New Self-similar Solutions to the Interaction Phase of Strong Explosions, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad87cc

Источник: Syracuse University