Náhodou mám dalekohled mířící na nejjasnější supernovu, která byla kdy spatřena – Ars Technica

Supernovy jsou jedny z nejenergetickejších událostí ve vesmíru. Podmnožina z nich zahrnuje gama záblesky, kde velká část vyzařované energie pochází z extrémně vysokoenergetických fotonů. Myslíme si, že víme, proč se to obecně děje – černá díra, která zbyla po výbuchu, vyvrhuje výtrysky materiálu téměř rychlostí světla. Ale podrobnosti o tom, jak a kde tyto výtrysky produkují fotony, nejsou zdaleka plně propracovány.

Bohužel se tyto události dějí příliš rychle a příliš daleko, takže není snadné získat o nich podrobné poznámky. Nedávný záblesk gama záření nazvaný BOAT (Brightest Ever Recorded) nám však může poskytnout nové informace o událostech během několika dní po výbuchu supernovy. Nový dokument popisuje data z dalekohledu, který mířil správným směrem a byl citlivý na extrémně vysokoenergetické záření z této události.

Potřebuji se osprchovat

Výše zmíněný „dalekohled“ je Velká observatoř vzduchové sprchy ve vysoké nadmořské výšce (LHAASO). Observatoř se nachází tři míle (4400 metrů) nad hladinou moře a je sadou přístrojů, které nejsou dalekohledem v tradičním slova smyslu. Místo toho má zachytit vzduchové sprchy – složitý řetězec trosek a fotonů, které vznikají, když se vysokoenergetické částice z vesmíru srazí s atmosférou.

I když jsou detektory vzduchové sprchy ve srovnání s konvenčními dalekohledy omezené, mají určité výhody s ohledem na události, jako je BOAT. Mají velmi široké zorné pole, protože se ve skutečnosti nepotřebují tolik soustředit na událost, ale potřebují ji rekonstruovat na základě fotonů a částic, které dosáhnou zemského povrchu. Jsou citlivé pouze na události s vysokou energií, což znamená, že denní světlo je příliš nízkoenergetické na to, aby rušilo, takže mohou pracovat nepřetržitě.

Protože LHAASO sbíral data, když supernova BOAT vybuchla, jeho detektory nejen zachytily začátek události, ale byly schopny sledovat její vývoj ještě několik dní poté. Zatímco tam bylo špatné prostorové rozlišení, bylo tam obrovské množství dat, všechna oddělená vlnovou délkou. V prvních 100 minutách bylo detekováno více než 64 000 fotonů při energiích přesahujících 200 GeV. Pro kontext, přeměna celé hmoty protonu na energii dává jen jeden GeV.

Jedna z prvních věcí, která byla evidentní, byla, že existuje obrovský rozdíl mezi fotony s nižšími (ale stále velmi vysokými!) energiemi a těmi na extrémnějších koncích elektromagnetického spektra. Data z fotonů, které byly nad TeV, se plynule měnily v průběhu času, zatímco ty v rozsahu megaelektronvoltů kolísaly nahoru a dolů.

Porozumění datům

Výzkumníci naznačují, že tato data jsou v souladu s návrhem, že nízkoenergetické události jsou způsobeny výtrysky interakcí s turbulentními troskami supernovy. Protože by tyto úlomky byly složité a blízko zdroje výtrysků, omezilo by to množství vesmírných částic v výtryscích, které by se musely zrychlit, čímž by se jejich energie omezila.

Naproti tomu fotony s vyšší energií jsou produkovány v oblastech, kde jety seškrábly trosky supernovy a začaly interagovat s hmotou, která tvoří okolí hvězdy – částicemi pravděpodobně bombardovanými hvězdným ekvivalentem slunečního větru. Je to řidší a jednotnější prostředí, které umožňuje výtryskům méně turbulentní cestu k urychlení částic na extrémní energie potřebné k produkci fotonů o energiích vyšších než TeV.

I když se zdá, že dostat se přes trosky supernovy je obtížné, proces probíhá velmi rychle, protože výtrysky urychlují částice téměř na rychlost světla. Proto trvá jen asi pět sekund, než uvidíte rychlý nárůst TeV fotonů v datech.

Odtud už je to mírnější sjezd, který trvá asi 13 sekund. Výzkumný tým stojící za prací naznačuje, že to zahrnuje výtrysky interagující a urychlující částice v prostředí za zbytkem hvězdy. To zvyšuje počet vysokoenergetických fotonů, ale zároveň odčerpává část energie z výtrysků, protože jsou tlačeny proti větší hromadě materiálu, když postupují prostředím.

Nakonec tato akumulace materiálu přitáhne dostatek energie, aby se počet vysokoenergetických fotonů začal postupně snižovat. Tento pokles je dostatečně pomalý, takže trvá asi 11 minut.

V případě supernovy BOAT následoval prudký pokles vysokoenergetických fotonů. Předpokládá se, že je to způsobeno tím, že se výtrysky rozšiřují, když se vzdalují od svého zdroje, což znamená, že loď byla tak jasná, jak jsme ji pozorovali, protože centrální jádro jejího výtrysku směřovalo přímo k zemi. Načasování tohoto klesání také poskytuje určité informace o tom, jak široké je letadlo v tuto chvíli.

O těchto událostech je stále co učit – stále si nejsme jisti, jak černé díry uvolňují výtrysky materiálu. Ale tyto druhy podrobných pozorování nám mohou poskytnout lepší představu o načasování a dynamice formování jetů, což nakonec pomůže poskytnout modely toho, co se děje během formování černých děr a formování jetů.

Věda, 2023. DOI: 10.1126/science.adg9328 (o DOI).