Астрофизические взрывы, и это лишь несколько примеров, вызваны коллапсом железного ядра массивной звезды (известным как коллапс ядра сверхновой) или поглощением остатков звезды-спагетти массивной черной дырой (известным как приливное разрушение). событие) и неуправляемый ядерный синтез на поверхности белого карлика (известного как сверхновая типа 1А). Такие взрывы являются обычным явлением, но чаще всего в далеких галактиках, и только недавно астрономам удалось заглянуть в космос достаточно далеко, чтобы обнаружить их в значительном количестве – и многие другие уже в пути.
Эрик Кафлин, доцент кафедры физики Колледжа искусств и наук Сиракузского университета, разработал новый метод 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 выбросы в результате взаимодействия взрыва с окружающей средой и, таким образом, отслеживать их эволюцию с течением времени», — говорит Кофлин.
На протяжении многих лет астрономам было известно, когда гигантская звезда погибла из-за собственного гравитационного коллапса. Это связано с тем, что ее коллапс приводит к обращению имплозии, когда в ее центре формируется нейтронная звезда, что приводит к взрыву, вызывающему чрезвычайно интенсивный и яркий взрыв, известный теперь как сверхновая с коллапсом ядра. Подобные сверхновые, возникающие в нашей галактике (или в других и очень близких галактиках), можно наблюдать невооруженным глазом, но сегодня многие сверхновые обнаруживаются современными телескопами с частотой несколько десятков за ночь.
Однако другие типы взрывов обнаружить труднее, поскольку они находятся слишком далеко или исчезают слишком быстро. Например, быстро затухающие электромагнитные всплески легко не заметить, если не посмотреть в нужное место на небе в нужное время. Тем не менее, они могут высвободить количество энергии, сравнимое с обычным взрывом сверхновой.
«Эти взрывы могут каждый день высвобождать миллиарды и миллиарды энергии ядерной бомбы», — говорит Кофлин. «Такие кратковременные, высокоэнергетические события происходят во Вселенной постоянно».
Астрономы ищут открытия о сверхновых с коллапсом ядра и других ярких, быстро развивающихся явлениях в космосе, которые в совокупности называются «транзиентами». Новая модель Кафлина поддержит этот поиск.
Коллапс ядра сверхновой происходит, когда вновь образовавшаяся нейтронная звезда «отскакивает» и обращает звездный взрыв вспять, вызывая ударную волну через самые внешние слои звезды. Огромное количество обломков сверхновой (или выбросов) выбрасывается в газ, окружающий умирающую звезду.
Выбросы изначально чрезвычайно горячие и излучают огромное количество света. Радиоактивный распад тяжелых атомных элементов также способствует излучению. Взаимодействие между выбросом и окружающим газом также может дополнять, а в некоторых случаях доминировать, это излучение, создавая две дополнительные ударные волны, которые ускоряют окружающий газ и замедляют движение выброса наружу.
Эта «оболочка» из сотрясенного материала со временем расширяется наружу, производя не только видимый свет, но и радиоизлучение, что указывает на присутствие нагретого от удара газа. Модель Кафлина предоставляет новый метод отслеживания эволюции оболочки, созданной этим взаимодействием, который можно использовать вместе с радиоданными для определения свойств взрыва, таких как его энергия.
Кофлин применит свою модель к данным исследования наследия пространства и времени (LSST), проведенного обсерваторией Веры К. Рубин и которое планируется запустить в следующем году в Андах Чили. Обсерватория Рубина проведет 10-летнее исследование неба, которое предоставит огромное количество астрономических данных, которые астрономы проанализируют и приведут к новым открытиям о Вселенной, зависящей от времени.
Обсерватория Рубина оснащена 8,4-метровым телескопом мирового класса в сочетании с 3,2-гигапиксельной камерой — самой большой цифровой камерой, когда-либо созданной для астрономии.
Телескоп будет отображать все видимое небо южного полушария каждые три-четыре ночи, обнаруживая дополнительные или более темные объекты, яркость или направление которых ненадолго меняются.
«В течение следующего десятилетия мы будем наблюдать миллиарды галактик, а затем, соответственно, миллионы переходных процессов, вызванных множеством различных явлений», — говорит Кофлин.
Свободно доступный набор данных обсерватории Рубин будет больше и детальнее, чем любой предыдущий набор данных.
«Как астроном-теоретик, я пытаюсь использовать эти данные, чтобы составить целостную картину взрывных явлений», — говорит Кофлин. «И я попытаюсь понять физику, стоящую за этим, чтобы воссоздать эти взрывные события».
Однако для продвижения ранних открытий необходимы междисциплинарные исследования.
Кофлин получил стипендию Scialog. Первая сессия Scialog состоится в ноябре в Тусоне, штат Аризона, и объединит 50 молодых ученых: астрономов-наблюдателей, космологов, физиков-теоретиков и астрофизиков, специалистов по компьютерному моделированию, специалистов по обработке данных и разработчиков программного обеспечения.
Участники Scialog планируют воспользоваться беспрецедентным размером набора данных, инициируя совместные проекты.
«Мы говорим о петабайтах (миллионах гигабайт) данных, которые нам необходимо обрабатывать и искать», — говорит Кофлин. «Мы соберем вместе людей из разных дисциплин, чтобы подумать о решениях проблем, требующих огромных объемов данных, или о новых способах использования этих данных, чтобы узнать что-то новое. Обсерватория Рубин поможет нам получить представление о смерти массивных звезд такими, какие они есть».
Информация от: Сиракузским университетом