Eksplozje astrofizyczne, obejmujące zdarzenia takie jak supernowe i czarna dziura zużycia energii, stają się coraz bardziej wykrywalne wraz z postępem współczesnej astronomii.
Fizyk z Uniwersytetu Syracuse opracował przełomowy model symulujący te kosmiczne zdarzenia i emisję światła przez nie, umożliwiając głębsze zrozumienie ich ewolucji.
Eksplozje astrofizyczne przybierają kilka dramatycznych form: zapadnięcie się żelaznego jądra masywnej gwiazdy i utworzenie supernowej powodującej zapadnięcie się jądra; „spaghettyfikacja” i zużycie pozostałości gwiazdowych przez masywną czarną dziurę, znane jako zdarzenie rozerwania pływowego; i niekontrolowana synteza jądrowa na A biały karzełpowierzchni, co prowadzi do supernowej typu 1-A. Eksplozje te zdarzają się często, choć głównie w odległych galaktykach, i dopiero niedawno astronomom udało się zajrzeć w przestrzeń kosmiczną na tyle głęboko, aby wykryć je w znacznej liczbie – przy czym spodziewanych jest znacznie więcej odkryć.
Innowacje w modelowaniu kosmicznych eksplozji
Eric Coughlin, adiunkt fizyki w College of Arts and Sciences na Uniwersytecie Syracuse, opracował przełomowy model umożliwiający szybką symulację tych eksplozji i śledzenie pochodzenia światła, które z nich obserwujemy. Jego ustalenia szczegółowo opisano w artykule „From Coasting to Energy-conserving: New Self-similar Solutions to the Interaction Phase of Strong Explosions”, opublikowanym 29 października w czasopiśmie The Listy do dzienników astrofizycznych.
„Dzięki tej nowej wiedzy możemy modelować emisję wynikającą z interakcji eksplozji z otoczeniem, co pozwoli nam prześledzić jej ewolucję w czasie” – mówi Coughlin.
Postępy w wykrywaniu supernowych
Od wielu lat astronomowie wiedzą, kiedy gigantyczna gwiazda umiera w wyniku własnego zapadnięcia się grawitacyjnego. Dzieje się tak, ponieważ jego załamanie prowadzi do odwrócenia implozji jako a gwiazda neutronowa tworzy się w jej centrum, prowadząc do eksplozji, która powoduje niezwykle intensywny i jasny wybuch – obecnie znany jako supernowa powodująca zapadnięcie się jądra. Te, które występują w naszej Galaktyce (lub w innych, bardzo pobliskich galaktykach) można zobaczyć gołym okiem, ale obecnie nowoczesne teleskopy wykrywają wiele supernowych z częstotliwością kilkudziesięciu supernowych na noc.
Inne rodzaje eksplozji są jednak trudniejsze do zidentyfikowania, ponieważ są zbyt odległe lub słabną zbyt szybko. Na przykład szybko zanikające wybuchy elektromagnetyczne można łatwo przeoczyć, jeśli nie spojrzymy we właściwe miejsce na niebie we właściwym czasie. Niemniej jednak mogą wyładować porównywalną ilość energii, co standardowa eksplozja supernowej.
„Te eksplozje mogą każdego dnia wyzwolić miliardy miliardów energii bomb atomowych” – mówi Coughlin. „Takie przejściowe, wysokoenergetyczne zdarzenia mają miejsce cały czas we wszechświecie.”
Astronomowie poszukują odkryć na temat supernowych powodujących zapadnięcie się jądra i innych jasnych, szybko ewoluujących zjawisk w przestrzeni, zwanych łącznie „nieustalonymi”. Nowy model Coughlina pomoże w tych poszukiwaniach.
Dynamika wyrzutu supernowej
Supernowa powodująca zapadnięcie się jądra ma miejsce, gdy nowo utworzona gwiazda neutronowa „odbija się” i odwraca implozję gwiazdy, przepuszczając falę uderzeniową przez najbardziej zewnętrzne warstwy gwiazdy. Ogromne ilości pozostałości po supernowej – czyli wyrzutów – są wdmuchiwane do gazu otaczającego umierającą gwiazdę.
Wyrzucany materiał jest początkowo niezwykle gorący i emituje ogromne ilości światła, a do emisji przyczynia się również rozpad radioaktywny ciężkich pierwiastków atomowych. Interakcja między wyrzutem a otaczającym gazem może również uzupełniać – a w niektórych przypadkach przeważać – tę emisję, ponieważ generowane są dwie dodatkowe fale uderzeniowe, które przyspieszają otaczający gaz i spowalniają przemieszczający się na zewnątrz wyrzut. Ta „skorupa” szoku materiału z czasem rozszerza się na zewnątrz, wytwarzając nie tylko światło widzialne, ale także emisję radiową, która oznacza obecność podgrzanego szokowo gazu. Model Coughlina zapewnia nową metodologię śledzenia ewolucji powłoki powstałej w wyniku tej interakcji, którą można wykorzystać wraz z danymi radiowymi w celu wywnioskowania właściwości eksplozji, takich jak jej energia.
Rola Obserwatorium Rubina
Coughlin zastosuje swój model do danych z Starsze badanie przestrzeni i czasu (LSST)które ma przeprowadzić Obserwatorium Very C. Rubin, a które ma zostać udostępnione online w przyszłym roku w Andach w Chile. Obserwatorium Rubin będzie prowadzić przez 10 lat badania nieba, które dostarczą ogromnych ilości danych astronomicznych, które astronomowie przeanalizują, co doprowadzi do nowych odkryć na temat Wszechświata zależnego od czasu.
Obserwatorium Rubin składa się ze światowej klasy teleskopu o średnicy 8,4 metra połączonego z aparatem o rozdzielczości 3,2 gigapiksela, który jest największym aparatem cyfrowym, jaki kiedykolwiek stworzono dla astronomii.
Teleskop będzie robił zdjęcia całego widzialnego nieba półkuli południowej co trzy do czterech nocy, co pozwoli mu wykryć dalsze lub ciemniejsze obiekty, które na krótko zmieniają jasność lub kierunek.
„Będziemy obserwować miliardy galaktyk przez następne 10 lat, a następnie odpowiednio miliony tych stanów przejściowych, które są spowodowane wieloma różnymi zjawiskami” – mówi Coughlin.
Potencjał badań interdyscyplinarnych
Zbiór danych o otwartym dostępie z Obserwatorium Rubin będzie większy i bardziej szczegółowy niż jakiekolwiek wcześniej dostępne.
„Jako astronom teoretyczny staram się na podstawie tych danych złożyć spójny obraz zjawisk wybuchowych” – mówi Coughlin. „Postaram się zrozumieć fizykę, aby odtworzyć te wybuchowe wydarzenia”.
Aby zapoczątkować wczesne odkrycia, potrzebne są jednak badania interdyscyplinarne.
Coughlin otrzymał stypendium „Scialog”, wspierane przez Research Corporation for Science Advancement, w celu opracowania wczesnych projektów naukowych z LSST. Pierwsza sesja Scialog odbędzie się w listopadzie w Tucson w Arizonie, aby nawiązać kontakty między 50 naukowcami rozpoczynającymi karierę: astronomami obserwacyjnymi, kosmologami, fizykami teoretycznymi i astrofizykami, osobami zajmującymi się modelowaniem obliczeniowym, badaczami danych i inżynierami oprogramowania.
Uczestnicy projektu Scialog planują wykorzystać bezprecedensowy rozmiar zbioru danych do katalizowania wspólnych projektów.
„Mówimy o petabajtach (milionie gigabajtów) danych, którymi należy się zająć i które należy przejrzeć” – mówi Coughlin. „Zgromadzimy ludzi reprezentujących różne dyscypliny, którzy zastanawiają się nad rozwiązaniami problemów obejmujących ogromne ilości danych lub nowymi metodami wykorzystania tych danych do znalezienia czegoś nowego. Obserwatorium Rubina pomoże nam uzyskać wgląd w śmierć masywnych gwiazd w trakcie ich powstawania i wytwarzania ogromnych ilości energii. Moglibyśmy ostatecznie dowiedzieć się, co napędza niektóre z tych energetycznych wydarzeń”.
Odniesienie: „Od wybiegu do oszczędzania energii: nowe samopodobne rozwiązania w fazie interakcji silnych wybuchów” autorstwa i Erica R. Coughlina, 29 października 2024 r., Listy z dziennika astrofizycznego.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad87cc
