Инфракрасная астрономия открыла очень многое о Вселенной: от протопланетных дисков и туманностей до коричневых карликов, полярных сияний и вулканов на небесных телах. Заглядывая в будущее, астрономы надеются провести инфракрасные исследования остатков сверхновых (SNR), которые предоставят жизненно важную информацию о физике этих взрывов. В то время как исследования в ближнем и среднем инфракрасном спектре (NIR-MIR), как ожидается, предоставят данные об атомном составе SNR, исследования в среднем и дальнем ИК-спектре (MIR-FIR) должны обеспечить детальное рассмотрение нагретых пылевых частиц, которые они выброс в межзвездную среду (ISM).
К сожалению, эти исследования в основном ограничивались Млечным Путем и Магеллановыми облаками из-за ограничений предыдущих ИК-обсерваторий. Однако эти режимы наблюдений теперь доступны благодаря инструментам следующего поколения, таким как Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). В недавнем исследовании группа под руководством исследователей из Университета штата Огайо представила первые инфракрасные изображения остатков сверхновых (SNR) с пространственным разрешением в галактике Треугольник (также известной как Мессье 33). Их наблюдения позволили им получить изображения 43 SNR благодаря беспрецедентной чувствительности и разрешению ИК-инструментов Уэбба.
Группу возглавил доктор Сумит К. Сарбадикари, бывший научный сотрудник Центра космологии и физики астрочастиц (CCAP) ОГУ и нынешний помощник научного сотрудника Университета Джонса Хопкинса (JHU). К нему присоединились несколько астрономов и физиков из ОГУ, Гарвардского и Смитсоновского центра астрофизики, Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон, Института теоретической астрофизики Гейдельбергского университета, Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) и Научного центра космических телескопов. институт (СТНЦИ). Статья, описывающая их результаты, рассматривается для публикации в Астрофизический журнал.
![Космический телескоп имени Джеймса Уэбба НАСА/ЕКА/ККА наблюдал за Крабовидной туманностью в поисках ответов о происхождении остатков сверхновой. Камеры Уэбба NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) и MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона) раскрыли новые детали в инфракрасном свете. Подобно изображению оптической длины волны Хаббла, опубликованному в 2005 году, у Уэбба остаток, по-видимому, состоит из четкой клеточной структуры пушистых красно-оранжевых нитей газа, которые содержат следы дважды ионизированной серы (сера III). Внутри остатка желто-белые и зеленые пушистые гребни образуют крупномасштабные петлеобразные структуры, которые представляют собой области, где находятся частицы пыли. Область состоит из полупрозрачного материала молочного цвета. Этот материал излучает синхротронное излучение, которое распространяется по всему электромагнитному спектру, но становится особенно ярким благодаря чувствительности и пространственному разрешению Уэбба. Он генерируется частицами, разогнанными до чрезвычайно высоких скоростей, когда они вращаются вокруг силовых линий магнитного поля. Синхротронное излучение можно проследить на большей части внутренней части Крабовидной туманности. Найдите пряди, которые образуют волнистую структуру посередине. В центре этой кольцеобразной структуры находится яркая белая точка: быстро вращающаяся нейтронная звезда. Далее от ядра следуют тонкие белые ленты излучения. Извилистые пучки тесно сгруппированы вместе, двигаясь в разных направлениях, имитируя структуру магнитного поля пульсара. Обратите внимание, что некоторые газовые нити имеют более синий цвет. Эти области содержат однократно ионизированное железо (железо II). [Image description: An oval nebula with a complex structure against a black background. On the oval's exterior lie curtains of glowing red and orange fluffy material. Interior to this outer shell lie large-scale loops of mottled filaments of yellow-white and green, studded with clumps and knots. Translucent thin ribbons of smoky white lie within the remnant’s interior, brightest toward its centre.]](https://zerlina.ru/wp-content/uploads/2024/10/Crab-1-1024x892.jpeg "Уэбб нашел десятки остатков сверхновых в галактике Треугольник")
Как они объясняют в своем исследовании, SNR в Млечном Пути и Магеллановых облаках изучены лучше всего во Вселенной, потому что они расположены ближе всего. Это позволило астрономам провести детальные исследования, которые выявили их структуры на большинстве длин волн, включая инфракрасные. Как рассказал д-р Сарбадичари Universe Today по электронной почте, исследования этих SNR многому научили астрономов. Сюда входит образование пыли, состав взрывов сверхновых и физика астрофизических ударных волн – особенно тех, которые проходят через плотные газовые облака, где могут формироваться новые звезды.
Однако, как объяснил Сарбадхичари, эти исследования по-прежнему ограничиваются нашей галактикой и ее спутниками, что ограничивает то, что астрономы могут узнать об этих крупных астрономических событиях:
«[The] Единственное, что мы не смогли выйти за пределы Магеллановых Облаков и исследовать SNR в более далеких галактиках в инфракрасном диапазоне. Мы знаем, что другие галактики Местной группы, такие как Андромеда (M31) и Треугольник (M33), имеют несколько сотен SNR, поэтому существует огромный потенциал для построения статистики. Кроме того, SNR, излучающие инфракрасное излучение, являются довольно редкой разновидностью и встречаются в основном при взрывах, произошедших рядом с плотным молекулярным газом, который является либо частью межзвездной среды, либо материалом, потерянным звездой-прародительницей перед взрывом. Так что наличие большего количества объектов было бы очень полезно».
Первое поколение исследований SNR в инфракрасном диапазоне было проведено с помощью Инфракрасного астрономического спутника НАСА (IRAS) и Инфракрасной космической обсерватории ЕКА (ISO). Несмотря на ограниченное пространственное разрешение и сложность наблюдения за плоскостью Галактики, этим обсерваториям удалось идентифицировать около 30% SNR в Млечном Пути в диапазоне от 10 до 100 микрометров (мкм), что соответствует частям среднего и дальнего инфракрасного диапазона. (МИКР, БИК) спектр.
В последние десятилетия ИК-астрономия получила огромную пользу от таких миссий, как миссия НАСА. Космический телескоп Спитцер и ЕКА Космическая обсерватория Гершеля. Эти обсерватории могут похвастаться более высоким угловым разрешением и могут проводить исследования в более широких частях ИК-спектра – от 3 до 160 мкм для «Спитцера» и от 70 до 500 мкм для «Гершеля». Их наблюдения привели к широкомасштабным исследованиям Галактики – Galactic Legacy Infrared Midplane Survey Extraordinaire (GLIMPSE), MIPS Galactic Plane Survey (MIPSGAL) и Herschel infrared Galactic Plane Survey (Hi-GAL) – и первым высококачественным внегалактическим исследованиям. ИК-обследования SNR.
«К сожалению, угловое разрешение телескопа Спитцер (предшественник JWST) было недостаточно хорошим, чтобы восстановить те же пространственные детали в более далеких галактиках», — добавил Сарбадикари. «Хотя вы можете увидеть слабую вспышку на спутнике «Спитцер», будет трудно сказать (на таких расстояниях), является ли она результатом SNR или какой-то смеси звезд и диффузного излучения». К счастью, ситуация еще больше улучшилась с развертыванием Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). По словам Сарбадикари, повышенное разрешение Уэбба и усовершенствованные ИК-инструменты обеспечивают более глубокое и четкое представление SNR в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне:
«Мы уже увидели потенциал JWST в революционном изучении SNR на четких новых изображениях известных SNR, таких как Кассиопея A в нашей Галактике и 1987A в Большом Магеллановом Облаке, опубликованных в недавних статьях. Изображения показали беспрецедентное количество деталей об обломках взрыва, материале, потерянном звездой до взрыва, и многом другом.
«Эта превосходная комбинация чувствительности и углового разрешения теперь также позволяет JWST восстанавливать изображения SNR в галактиках, находящихся почти в 20 раз дальше, чем Магеллановы Облака (например, M33 в нашей статье), с тем же уровнем детализации, который обнаружил Спитцер в SNR в Магеллановом Облаке. Облака. Что особенно полезно из-за высокого углового разрешения JWST, так это то, что мы с меньшей вероятностью перепутаем SNR с перекрывающимися структурами, такими как области HII (газ, фотоионизированный массивными звездами)».
Для своего исследования Сарбадикари и его команда использовали архивные наблюдения JWST галактики Трангулум (M33) в четырех полях JWST. Два из них охватывали центральную и южную области M33 с отдельными наблюдениями с использованием камеры ближнего инфракрасного диапазона Уэбба (NIRCam) и формирователя изображений среднего инфракрасного диапазона (MIRI). Третий включал наблюдения MIRI длинной радиальной полосы размером около 5 килопарсеков (~ 16 300 световых лет), покрывающей гигантскую эмиссионную туманность в M33 (NGC 604), с помощью нескольких наблюдений NIRCam и MIRI. Затем они наложили эти наблюдения на ранее идентифицированные значения SNR из многоволновых исследований.
Они также рассмотрели объемы многоволновых данных, полученных предыдущими миссиями об этой галактике. Сюда входят изображения звезд, полученные почтенным Хаббл и наблюдения за холодным нейтральным газом, проводимые с помощью Большой миллиметрово-субмиллиметровой решетки Атакамы (ALMA) и Очень большой решетки (VLA). Как указал Сарбадичари, результаты выявили некоторые очень интересные вещи об SNR в галактике Треугольник. Однако, поскольку их исследование охватило только 20% SNR в M33, он также отметил, что эти результаты — лишь верхушка айсберга:
«Самым удивительным открытием было наличие эмиссии молекулярного водорода в двух из трех SNR, где мы наблюдали F470N (узкополосный фильтр, сосредоточенный на линии вращения молекулы водорода размером 4,7 микрона). Молекулярный водород на сегодняшний день является самой распространенной молекулой в межзвездном газе, но из-за симметрии молекулы он не может производить видимое излучение при типичных низких температурах межзвездного газа. Только при нагревании ударами или ультрафиолетовым излучением H2 испускает излучение (например, с длиной волны 4,7 микрона), поэтому он является очень полезным индикатором ударов, поражающих плотный молекулярный газ, где происходит звездообразование».
Хотя астрономы видели это излучение в нескольких SNR в пределах Млечного Пути, это был первый случай, когда такие наблюдения были сделаны над внегалактическим источником. «Данные JWST также показали, что от 14 до 43% SNR демонстрируют видимое инфракрасное излучение», — добавил Сарбадикари. «Самые яркие инфракрасные SNR в нашей выборке также являются одними из самых маленьких в M33 и самыми яркими на других длинах волн, особенно в рентгеновском, радио и оптическом диапазонах. Это означает, что удары в этих SNR по-прежнему распространяются относительно быстро и воздействуют на материал высокой плотности в окружающей среде, что приводит к тому, что значительная часть энергии удара излучается в инфракрасные линии и пыль, которые освещают излучение, видимое на наших широкополосных изображениях. »
Результаты показывают, как высокое угловое разрешение Уэбба позволит астрономам проводить высокоточные инфракрасные наблюдения больших популяций SNR в галактиках за пределами Магеллановых Облаков. Сюда входят M33, Галактика Андромеды (M31) и соседние галактики Местной группы, такие как Галактика Южная Вертушка (M83), Галактика Фейерверк (NGC 6946), Галактика Водоворот (M51), многочисленные карликовые галактики Местной группы и многие другие. более! Сказал Сарбадхичари:
«Лично я очень рад возможности изучать популяцию SNR, воздействующих на плотный газ, с помощью JWST, поскольку физика того, как ударные волны воздействуют на плотный газ и регулируют звездообразование в галактиках, является основной темой астрономии. Инфракрасные волны содержат сокровищницу ионных и молекулярных линий (например, H2, которые мы обнаружили), которые возбуждаются в теплых газовых облаках высокой плотности в результате ударов, поэтому эти наблюдения могут быть действительно полезными.
«В этих галактиках также есть несколько редких SNR, подобных Кассиопее А, которые очень молоды и богаты материалом, выброшенным в результате взрыва, и JWST может предоставить много новой информации по эмиссионным линиям в инфракрасном диапазоне. Еще одна большая область исследований — пыль и то, как она образуется и уничтожается при ударах».
Дальнейшее чтение: arXiv
