Jasne, cyjanowe obszary na tym wielopoziomowym obrazie Mgławicy Meduza, to pozostałości po supernowej oddalonej o około 5000 lat świetlnych, wskazują miejsca, w których rozszerzająca się otoczka supernowej oddziałuje z gęstym gazem okołogwiazdowym. [NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, NOAO/AURA/NSF, JPL-Caltech/UCLA].
Czasami właściwości masywnych obiektów astrofizycznych są określane przez ich najmniejsze składniki: elektrony. Dzisiejszy artykuł przedstawia intrygujący pomysł: co jeśli różnice pomiędzy niektórymi tajemniczymi eksplozjami w naszym wszechświecie mogą być wyjaśnione przez zachowanie elektronów?
Zdjęcie z Sloan Digital Sky Survey z krzyżem wskazującym położenie AT2018cow. Jest ona przestrzennie zbieżna z galaktyką CGCG 137-068 w gwiazdozbiorze Herkulesa. [Sloan Digital Sky Survey]
Nowe dziecko we Wszechświecie
W 2018 roku, teleskop poszukujący asteroid bliskich Ziemi był świadkiem przelotnej eksplozji prawie 100 razy bardziej jasnej niż typowa supernowa w galaktyce odległej o 200 milionów lat świetlnych. Wydarzenie to – nazwane AT2018cow – było pierwszym z nowej klasy zjawisk zwanych szybkimi niebieskimi optycznymi transjentami. Astronomowie nie są jeszcze zgodni co do przyczyny tych rzadkich zjawisk, ale wiele wyjaśnień skupia się na eksplodującym obiekcie, który rozprzestrzenia się w otaczającym go gazie.
Te tajemnicze nowe transjenty nie są jedynym astronomicznym przykładem eksplozji zderzających się z pobliską materią; supernowe, które silnie emitują fale radiowe – trafnie nazwane radiowymi supernowami – powstają, gdy rozszerzająca się fala uderzeniowa wbija się w otaczający gaz. Jednak ich widma różnią się znacznie od widm szybkich niebieskich tranzytów optycznych. Czy radiowe supernowe i zjawiska podobne do AT2018cow są zupełnie niepowiązane, czy może łączy je wspólna nić?
Przykładowe rozkłady spektralne energii pokazujące szczytową emisję zdominowaną przez elektrony termiczne (góra) i nietermiczne (dół). [Adaptowane z Margalit & Quataert 2021].
Szokujące podobieństwa
Wyobraźmy sobie taką sytuację: miliony lat świetlnych stąd, następuje wybuch. Może jest to supernowa, a może coś znacznie dziwniejszego. Tak czy inaczej, eksplozja wywołuje falę uderzeniową, która porywa materię i przyspiesza elektrony do prędkości relatywistycznych. Zazwyczaj astronomowie zakładają, że wiele z tych rozpędzonych elektronów porusza się szybciej niż gdyby były w równowadze termicznej. Ten nietermiczny model elektronów może wyjaśnić emisję z radiowych supernowych, ale nie może wyjaśnić rzadkich przejściowych zjawisk, takich jak AT2018cow. Ostatnio, badacze wymodelowali populację termicznych elektronów i byli w stanie odtworzyć emisję zdarzenia podobnego do AT2018cow.
To sugeruje, że pozornie odmienne zjawiska, takie jak supernowe radiowe i zdarzenia podobne do AT2018cow, mogą być wyjaśnione przez model elektronów przyspieszanych szokowo – wystarczy zmienić kilka właściwości elektronów. W nowych badaniach, Ben Margalit (Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley) i Eliot Quataert (Uniwersytet Princeton) modelują emisję z mieszaniny termicznych i nietermicznych elektronów, aby zbadać jak różne zachowania elektronów wpływają na obserwowaną przez nas emisję.
Zróżnicowane wyniki
Margalit i Quataert odkryli, że elektrony termiczne są krytyczne dla modelowania niektórych fal uderzeniowych – ale nie wszystkich! – a to czy elektrony termiczne są ważne czy nie, zależy głównie od prędkości wstrząsu. Na przykład, wstrząsy, które poruszają się stosunkowo wolno, jak te widziane w radiowych supernowych, praktycznie nie wykazują emisji elektronów termicznych. W rezultacie, model wyłącznie nietermicznych elektronów może odtworzyć te zdarzenia. W przypadku zjawisk podobnych do AT2018cow, gdzie wstrząs porusza się ze znacznym ułamkiem prędkości światła, uwzględnienie elektronów termicznych jest kluczowe dla odtworzenia ich widm. Autorzy stwierdzili, że uwzględnienie składnika elektronów termicznych staje się konieczne przy modelowaniu wstrząsów poruszających się z prędkością większą niż 20% prędkości światła.
