Niekiedy właściwości dużych obiektów astrofizycznych są determinowane przez ich najmniejsze składniki – elektrony. A gdyby tak różnice pomiędzy różnymi wybuchami we Wszechświecie wyjaśnić zachowaniem elektronów? Ostatnio tę ideę zweryfikowali amerykańscy astrofizycy w publikacji w czasopiśmie naukowym The Astrophysical Journal Letters.
Nowe zjawiska we Wszechświecie
W 2018 roku teleskop poszukujący asteroid zbliżających się do Ziemi, zaobserwował w galaktyce odległej o około 200 milionów lat świetlnych wybuch prawie 100 razy jaśniejszy od typowej supernowej. Popularnie nazwano to zjawisko „krową” od przypadkowego oznaczenia w astronomicznych bazach danych AT2018cow (cow w j.ang. oznacza krowę). Jest to pierwszy przykład nowej klasy zjawisk astronomicznych, oznaczonych jako FBOT (skrót z j.ang. Fast Blue Optical Transients), z które w języku polskim można opisowo przetłumaczyć, jako szybkie zjawiska tymczasowe w części niebieskiej widzialnego zakresu widma. Astronomowie jeszcze nie ustalili, co może wywoływać te rzadkie zjawiska, ale wiele wyjaśnień skupia się na wybuchających obiektach, które rozszerzają się w otaczającej materii.
Te tajemnicze, nowe zjawiska tymczasowe nie są jedynymi przykładami astronomicznymi wybuchów, które zderzają się z materią znajdującą się w pobliżu. Supernowe emitujące silne promieniowanie na radiowych długościach fal (trafnie nazywane supernowymi radiowymi), powstają, gdy rozszerzająca się fala uderzeniowa porusza się w materii wokółgwiazdowej. Jednak ich widma są zupełnie inne od FBOT. Czy supernowe radiowe i wybuchy podobne do AT2018cow są zupełnie niepowiązane ze sobą? A może jednak mają coś wspólnego?
Zdjęcie z przeglądu nieba Sloan Digital Sky Survey ze wskazaną za pomocą krzyżyka pozycją na niebie zjawiska tymczasowego AT2018cow. Odpowiada to położeniu galaktyki CGCG 137-068 w gwiazdozbiorze Herkulesa. Źródło: Sloan Digital Sky Survey
Podobieństwa fal uderzeniowych
Wyobraźmy sobie, że miliony lat świetlnych od nas następuje wybuch. Może to być pospolita supernowa lub coś znacznie dziwniejszego. W obu przypadkach wybuch generuje falę uderzeniową, która zmiata materię napotkaną na swojej drodze i przyspiesza elektrony do prędkości relatywistycznych. Zazwyczaj astronomowie zakładają, że większość z tych elektronów śmiga wokół linii pól elektromagnetycznych z prędkościami większymi niż, gdyby wszystkie one były warunkach lokalnej równowagi termodynamicznej. Ten nietermiczny model populacji elektronów może wyjaśnić rozkład energii promieniowania elektromagnetycznego w widmach radiowych supernowych, ale nie wyjaśnia zjawisk podobnych do AT2018cow. Zamiast tego ostatnio astrofizycy modelowali elektrony o rozkładzie termicznym (czyli spełniające relatywistyczny rozkład prędkości Maxwella) i byli w stanie odtworzyć widmo promieniowania dla zjawisk podobnych do AT2018cow (szczegóły arXiv: 2110.05490).
To sugeruje, że na pierwszy rzut oka odmienne zjawiska, takie jak supernowe radiowe i AT2018cow, mogą być wyjaśnione w ramach modelu elektronów przyspieszanych przez fale uderzeniowe, ale tylko po uwzględnieniu pewnych, niewielkich modyfikacji właściwości elektronów. Tym tropem poszli amerykańscy astrofizycy Ben Margalit (University of California, Berkeley) i Eliot Quataert (Princeton University) w najnowszej publikacji w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters. Modelowali oni widmo promieniowania elektromagnetycznego generowanego przez mieszankę termicznych i nietermicznych populacji elektronów, aby sprawdzić jak ta cecha wpływa na obserwowane widmo promieniowania.
Przykłady rozkładów energii w widmie promieniowania elektromagnetycznego (częstotliwość ν versus dzielność/moc promieniowania Lν), w których maksimum emisji promieniowania jest zdominowane przez emisje z populacji elektronów o rozkładzie termicznym (po lewej) lub rozkładzie nietermicznym (po prawej). Źródło: Ben Margalit and Eliot Quataert 2021 ApJL 923 L14
Różnorodne wyniki
Margalit i Quataert zauważyli, że elektrony o rozkładzie termicznym są istotne przy modelowaniu niektórych fal uderzeniowych (ale nie wszystkich!). To – czy elektrony o rozkładzie termicznym należy uwzględniać, czy też nie – zależy głównie od prędkości fali uderzeniowej. Na przykład fale uderzeniowe poruszające się względnie wolno – jak w supernowych radiowych, prawie zupełnie nie prezentują w widmie promieniowania generowanego przez elektrony o rozkładzie termicznym. Dlatego wyłącznie model z elektronami o rozkładzie nietermicznym może to odtworzyć. Natomiast dla zjawisk tymczasowych podobnych do AT2018cow, w których fala uderzeniowa porusza się ze znaczną prędkością w porównaniu do prędkości światłą, uwzględnienie elektronów o rozkładzie termicznym jest istotne dla odtworzenia wyglądu ich widm. Autorzy oszacowali, że elektrony o rozkładzie energii termicznym stają się istotny przy modelowaniu fal uderzeniowych poruszających się z prędkościami większymi niż ~20% prędkości światła (> 60 000 km/sek).
Te analizy są motywowane przez obserwacje radiowych supernowych i zjawisk tymczasowych podobnych do AT2018cow. Jednak, jak zauważyli autorzy, ich model można wykorzystać do analizy innych rodzajów kataklizmów we Wszechświecie, np.: fal uderzeniowych generowanych przez zderzające się gwiazdy neutronowe lub zanikających rozbłysków gamma. Przyszłe prace na modelowaniem wyżej wymienionych i innych zjawisk tymczasowych mogą jeszcze bardziej uwypuklić rolę, którą odgrywają „skromne” elektrony – wpływając na zjawiska wybuchów we Wszechświecie.
Zderzenie dwóch gwiazd neutronowych, pokazane tutaj jako wizja artystyczna, może być celem modelowania wyglądu obserwowanego widma w-g modelu B. Margalit i E. Quataert 2021 ApJL 923 L14. Źródło: NASA Goddard Space Flight Center/CI Lab
Więcej informacji:
- Publikacja naukowa (dostęp otwarty): Ben Margalit and Eliot Quataert 2021 ApJL 923 L14 - „Thermal Electrons in Mildly Relativistic Synchrotron Blast Waves”, doi:10.3847/2041-8213/ac3d97
- The Critical Role of Electrons in Astrophysical Blast Waves
- Portal Urania: Elektrony w ośrodku międzygwiazdowym
Źródło: AAS
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Na ilustracji: wielobarwny obraz Mgławicy Meduza będącej pozostałością po wybuchu supernowej, która znajduje się w odległości około 5 tysięcy lat świetlnych. Jasne, zielono-niebieskie pętle reprezentują obszary, w których następuje oddziaływanie rozszerzającej się otoczki po wybuchu supernowej z gęstą materią wokółgwiazdową. Źródło: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, NOAO/AURA/NSF, JPL-Caltech/UCLA
