Gwałtowne zderzenia masywnych supernowych z ich otoczkami odpowiada za ich wyjątkową jasność

dnia 28/11/2016
Wizja artystyczna supernowej oddziałującej z otaczającym ją gazem

Wizja artystyczna supernowej oddziałującej z otaczającym ją gazem

W ramach unikalnych badań prowadzonych przez międzynarodowy zespół badaczy m.in z Instytutu Fizyki i Matematyki Wszechświata Kavli (Kavli IPMU) przeprowadzono symulację gwałtownego zderzenia supernowej z otaczającym ją gazem, odrzuconym przez gwiazdę jeszcze przed samą eksplozją, które mogłoby odpowiadać za niesamowitą jasność tego zjawiska.

W ciągu ostatnich dziesięciu lat odkryto wiele supernowych, których maksymalna jasność była jeden-dwa rzędy wielkości wyższa od normalnych supernowych  znanego typu. Te gwiezdne eksplozje nazwano superjasnymi supernowymi (SLSNe, ang. Superluminous Supernovae).

Niektóre z nich charakteryzują się wodorem w widmie, podczas gdy w innych wodoru zupełnie nie widać. Te drugie nazwano supernowymi typu I, ubogimi w wodór, SLSNe-I. Supernowe typu SLSNe-I stanowią wyzwanie dla teorii ewolucji gwiazd, wszak nawet normalne supernowe nie są jeszcze do końca zrozumiałe.

Pracując pod kierownictwem Eleny Sorokiny (Sternberg Astronomical Institute), która gościła w Kavli IPU oraz głównego badacza Ken’ichi Nomoto, Sergieja Blinnikowa oraz Aleksieja Tołstowa, zespół badaczy opracował model, który może wytłumaczyć szeroką paletę obserwowanych krzywych blasku  supernowych SLSNe-I i to przy dużo niższej energii niż proponują to inne modele.

Modele demonstrujące zdarzenia o minimalnym budżecie energetycznym obejmują wielokrotne odrzucanie masy przez gwiazdy, które z czasem eksplodują w supernowych. Utrata masy i liczne otoczki wokół masywnych gwiazd to standardowe cechy ich ewolucji. Zazwyczaj otoczki te są raczej rozmyte i nie zmieniają istotne światła emitowanego przez większość supernowych.

Krzywe blasku dla szybko gasnącej SLSNe-I SN 2010gx oraz dla wolno gasnącej PTF09cnd wraz z dwoma obliczonymi krzywymi blasku dla modeli N0 oraz B0 (z artykułu autorstwa Sorokina et al.) dowodzące, że model interakcji może wytłumaczyć zarówno wąskie i szerokie krzywe blasku. Źródło: Kavli IPMU

Krzywe blasku dla szybko gasnącej SLSNe-I SN 2010gx oraz dla wolno gasnącej PTF09cnd wraz z dwoma obliczonymi krzywymi blasku dla modeli N0 oraz B0 (z artykułu autorstwa Sorokina et al.) dowodzące, że model interakcji może wytłumaczyć zarówno wąskie i szerokie krzywe blasku. Źródło: Kavli IPMU

W niektórych przypadkach gwiazdy odrzucają sporo swojej masy zaledwie na kilka lat przed ostateczną eksplozją. W takiej sytuacji „obłoki” wokół supernowej mogą być stosunkowo gęste. Fale uderzeniowe powstałe w zderzeniu supernowej z tymi gęstymi otoczkami mogą zapewnić odpowiednią ilość światła, aby supernowa wydawała się dużo jaśniejsza od „nagiej” supernowej powstałej z gwiazdy, która wcześniej nie odrzuciła kilku zewnętrznych warstw materii.

Ta klasa modeli zwana jest „interaktywnymi” supernowymi. Autorzy wykazali, że scenariusz interaktywny jest w stanie wytłumaczyć zarówno szybko jak i wolno gasnące supernowe SLSNe-I, dlatego też spora część tych intrygująco jasnych obiektów może w rzeczywistości być zwykłymi supernowymi znajdującymi się w nietypowym otoczeniu.

Inną ciekawą kwestią jest skład chemiczny tych okołogwiezdnych obłoków. Zazwyczaj wiatr gwiezdny składa się tylko z wodoru, ponieważ wszystkie reakcje termonuklearne zachodzą we wnętrzu gwiazdy, podczas gdy zewnętrzne warstwy są wodorowe.

W przypadku SLSNe-I sytuacja musi być jednak zupełnie inna. Gwiazda musi tracić swój wodór i dużą część swojego helu na długo przed eksplozją, tak aby na kilka miesięcy do kilku lat przed eksplozją mogła odrzucać głównie węgiel i tlen, a następnie eksplodować wewnątrz takiego gęstego obłoku CO. Tylko ten skład chemiczny może tłumaczyć widmowe i fotometryczne cechy obserwowanych, ubogich w wodór supernowych SLSNe.

Wyniki badań zostały opublikowane w periodyku The Astrophysical Journal.

Źródło: University of Tokyo