8 Minutės
Naudodami Džordžijos Valstijos universiteto (Georgia State University) CHARA tinklą, astronomai pirmą kartą užfiksavo didelės raiškos novų (nova) vaizdus vos per kelias dienas po jų sprogimų, atskleidžiant netikėtą sudėtingumą tuo, kaip šie žvaigždžių sprogimai išmeta medžiagą, formuoja smūgius ir generuoja aukštos energijos spinduliuotę.
Kodėl šie novų vaizdai keičia mūsų supratimą
Nova — tai sprogimas baltųjų nykštukių paviršiuje, kai kompaktiška žvaigždė iš savo draugės-hibrido (dvigubo poros) perima vandenilio turinčius sluoksnius. Kai susikaupia pakankamai kurų, prasideda nekontroliuojama termobranduolinė reakcija, kuri išmeta paviršinius sluoksnius ir sukelia ryškų, visame Galaktikoje matomą žybsnį. Iki šiol ankstyviausios užsidegimo akimirkos dažnai likdavo nematomos — besiplečianti nuolaužų debesė atrodė kaip taškas daugumai teleskopų. CHARA interferometrija tai pakeitė, suteikdama galimybę stebėti naują dinamikos sluoksnį per kelias dienas po išsiveržimo.
Sudėtingas šio metodo privalumas yra šviesos koherentinis derinimas iš kelių po Mount Wilson observatoriją pasklidusių teleskopų. CHARA grupė pasiekė kampinę skiriamąją gebą, leidžiančią erdviškai išskirti išmestos medžiagos struktūras jau po kelių dienų nuo išsiveržimo. Pamatyti vaizdai rodo, kad novų sprogimai nėra paprastos vienos membranos išsiveržimai: neretai paleidžiamos kelios, skirtingos dujų srovės — kartais net ortogonaliais, t. y. statmenais, kryptimis — o kitais atvejais apvalkalas atidedamas ir išmetamas tik po kelių savaičių. Tokie elgesio tipai tiesiogiai lemia, kaip ir kada susidaro smūginės bangos, o tai savo ruožtu nulemia, kada novų sistemos skleidžia aukštos energijos fotonus, pavyzdžiui, gama spindulius.
Georgia State universiteto CHARA tinklo mokslininkai užfiksavo Novos V1674 Herculis vaizdus — vieno greičiausių žinomų žvaigždžių sprogimų pavyzdį. Vaizdai užfiksuoti 2,2 dienos (kairėje) ir 3,2 dienos (viduryje) po sprogimo. Jie atskleidžia dviejų atskirų, statmenų dujų srovių susiformavimą, pažymėtą žaliomis rodyklėmis. Dešinėje panele pateiktas meninis sprogimo vaizdinys. Kreditas: The CHARA Array
Dvi novos — dvi skirtingos istorijos
Tarptautinė studija, paskelbta žurnale Nature Astronomy, nagrinėjo dvi 2021 metų novas, kurios elgėsi kardinaliai skirtingai. Nova V1674 Herculis pasižymėjo vienu greičiausių užfiksuotų išsiveržimų: ji labai greitai sušvito ir taip pat greitai pranyko per kelias dienas. CHARA interferometrijos momentinių nuotraukų, darytų 2,2 ir 3,2 dienos po sprogimo, analizė parodė dvi atskiras, statmenas dujų išeigas. Šios ortogonalių srovių sankirtos sukėlė smūgines priekines ribas maždaug tuo pačiu metu, kai NASA Fermi gama spindulių teleskopas fiksavo GeV gama spindulius iš tos pačios sistemos. Toks erdvinis ir laiko sutapimas pateikia stiprų įrodymą, kad gama spindulių šaltinis kai kuriuose novų atveju yra sąveikaujančios srovės, o ne vienkartinė sferinė membrana.
Priešingai, Nova V1405 Cassiopeiae vystėsi daug lėčiau. Daugiau nei 50 dienų po pradinio energijos išsiskyrimo išorinė jos apvalkalo dalis išliko beveik nepakitusi, o vėliau, staigaus išmetimo metu, buvo pašalinta. Kai vėluotas išmetimas pagaliau įvyko, susidarė naujos smūginės bangos ir Fermi vėl užfiksavo gama spindulius. Tokia vėluoto atidavimo schema iliustruoja, kad kai kurios novų sistemos patiria kelių etapų masės išmetimą — tai reiškia svarbias pasekmes smūgių vystymuisi ir energijos pavertimui į aukštos energijos daleles bei fotonus.
Kaip interferometrija ir spektroskopija atskleidė dinamiką
Interferometrija leido astronomams žemėlapiais fiksuoti išsiveržimų formą ir laiką su neįtikėtina kampine detale. Tačiau vien vaizdai nepapasakoja visos istorijos. Tyrimo komanda sujungė CHARA interferometrinius momentinius kadrus su spektroskopiniais stebėjimais iš didžiųjų observatorijų, įskaitant Gemini. Spektrai suteikia greičio ir cheminės sudėties informaciją, atskleisdamiesi kaip Dopplerio slenkstį turinčios emisijos bei absorbcijos linijos — tarsi judančios dujos „pirštų atspaudai“. Kai atsirado naujos spektrinės savybės, jos sutapo su erdvinėmis struktūromis, matomomis interferometriniuose vaizduose: tai vienareikšmis patvirtinimas, kad stebimos formos atitinka aiškiai atskiras fizines sroves ir jų susidūrimus.
CHARA tinklas dislokuotas Mount Wilson observatorijoje, esančioje San Gabriel kalnų pietų Kalifornijoje. Šeši CHARA teleskopai išdėstyti trijų žemės rankų linijomis. Kiekvieno teleskopo šviesa per vakuuminius vamzdynus nukreipiama į centrinę spindulių derinimo laboratoriją. Kreditas: Georgia State University/The CHARA Array
Kodėl laikas yra svarbus
- Ankstyvi vaizdai fiksuoja geometriją tuo momentu, kai formuojasi smūgiai; praleidus šias dienas, priežastiniai ryšiai lieka uždengti.
- Lyginant vaizdų momentinius kadrus su gama spindulių šviesumo kreivėmis, galima aiškiai nustatyti, ar aukštos energijos spinduliuotė sutampa su srovių susidūrimais.
- Vėluotas apvalkalo išmetimas pakeičia smūginę aplinką: jei lėtesnis apvalkalas yra išmestas po greitesnio vėjo, susidarymas gali būti itin efektyvus dalelių pagreičiui.
Pasekmės smūginių reiškinių fizikai ir aukštos energijos astronomijai
Šie stebėjimai pakelia novą nuo vien tik įdomių optinių tranzientų iki praktinių laboratorijų, skirtų tirti smūginių bangų pagreitį bei dalelių fiziką astrofizikinėse plazmose. Per pirmuosius 15 metų Fermi‑LAT aptiko GeV gama spindulius iš daugiau nei 20 novų, patvirtindamas, kad net santykinai kuklūs žvaigždžių sprogimai gali generuoti reliatyvistines daleles. CHARA vaizdai užpildo trūkstamą erdvinį kontekstą: jie parodo, kaip masės išmetimo geometrija ir laikas sukuria konkrečias smūgų sąlygas, reikalingas dalelių pagreičiui iki energijų, kurios skleidžia gama spindulius.
Supratimas apie smūgių formavimąsi novuose padeda užpildyti spragas tarp skirtingų astrofizinių sistemų, kuriose formuojasi smūgiai — nuo supernovų iki dvikovinių žvaigždžių su susidarančiais vėjais. Novos vyksta dažnai ir per žmogaus laiko mastą, todėl jos suteikia pakartotines galimybes išbandyti smūgų fiziką skirtingomis pradinėmis sąlygomis. Stebimų įvairovė — kelios išeigos, statmenos srovės, vėluotas apvalkalo atmetimas — aiškiai rodo, kad nėra vienos universalios novų schemos. Vietoje to, sprogimo morfologiją lemia dvigubos sistemos parametrai, sukimosi greitis, magnetiniai laukai ir, tikėtina, akretuotos medžiagos sluoksnio struktūra.
„Tai yra nepaprastas šuolis į priekį,“ – sakė John Monnier, bendraautorius ir interferometrinio vaizdavimo ekspertas. „Faktas, kad dabar galime stebėti, kaip žvaigždės sprogsta ir iš karto matyti išskiriamų medžiagų struktūrą, yra išskirtinis. Tai atveria naują langą į vienus dramatiškiausių Visatos įvykių.“
Apskritimai žymi šešių CHARA tinklo teleskopų kupolus istoriniame Mount Wilson observatorijoje. Kreditas: Georgia State University/The CHARA Array
Kaip šie rezultatai tapo įmanomi
Sėkmė reikalavo greitos koordinacijos: novų atradimai yra nenuspėjami ir vystosi labai greitai, todėl CHARA operatoriams reikėjo lankstumo persiorganizuoti stebėjimų naktis ir nukreipti tinklą į naujai praneštus taikinius. Interferometrijos derinimas su greito reagavimo spektroskopija ir nuolatiniu kosminių observatorijų, tokių kaip Fermi, stebėjimu leido susieti erdvinę struktūrą su evoliucionuojančia spinduliuote visame elektromagnetiniame spektre. Toks daugiamessengerinis ir daugiajuostis požiūris dabar tampa modeliu greitų tranzientų tyrimams.
Be fizikos atskleidimo, šie metodai tobulina tyrėjų planavimą būsimiems novų kampanijoms. Ankstyvieji įspėjimai iš viso dangaus skenavimo programų gali inicijuoti interferometrinius stebėjimus; spektrografai vėliau seka kintančius greičius ir cheminę sudėtį. Stebint vis daugiau sistemų tokiu kombinaciniu būdu, gali išryškėti modeliai, susiejantys sprogimo geometriją su poros parametrais arba su priešsprogiminės akrecijos istorija.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Maya Hernández, stebėjimams skirta astrofizikė, nedalyvavusi tyrime, pakomentavo: „Tiesioginis šių ištekėjimų matymas pakeičia klausimus, kuriuos užduodame. Anksčiau modeliavome novas kaip sferinius apvalkalus, nes tik tiek galėjo atskirti mūsų instrumentai. Dabar privalome įtraukti asimetriją, epizodinį išmetimą ir sąveikas tarp kelių srovių. Tokia sudėtingumo samprata iš tikrųjų padaro novas galingesnėmis diagnostinėmis priemonėmis smūginio pagreičio ir plazmos fizikai, nei manyta anksčiau.“
Ką toliau naujų tyrimų srityje
Tyrimo autoriai pabrėžia, kad tai tik naujos eros pradžia. Didesnis koordinuotų kampanijų kiekis išplės novų, stebimų interferometrija, imtį, leidžiant atlikti statistinius masės išmetimų modelių ir smūgių efektyvumo tyrimus. Tinklo atnaujinimai, ilgesni bazinių atstumų interferometrai ir greitesnis instrumentų reagavimo laikas lems dar ankstyvesnius ir ryškesnius vaizdus ilgesnį laikotarpį. Papildomos priemonės — radijo interferometrai, stebintys sinchrotroninę spinduliuotę iš reliatyvistinių elektronų; rentgeno teleskopai, tiriančios karštas, smūgio paveiktas dujas; ir gama spindulių observatorijos, sekančios aukštos energijos emisiją — kartu sudarys pilną vaizdą, kaip novose branduolinė energija pavirsta kinetine energija ir aukštos energijos spinduliuote.
Kaip teigė pagrindinis autorius, Teksaso Tech universiteto astronomas Elias Aydi: „Vietoje vieno blyksnio, dabar galime stebėti scenografiją – žvaigždės sprogimo choreografiją. Novos pasirodo esą kur kas turtingesnės ir labiau intriguojančios, negu manyta anksčiau.“
Šie atradimai ne tik perrašinėja novų teoriją tam tikrais aspektais, bet ir akcentuoja greitos bei aukštos raiškos vaizdavimo vertę tranzientų astronomijoje. Turint geresnį erdvinį ir laikinį dangos dengimą, ateinantys dešimtmečiai žada daug išsamesnį supratimą apie tai, kaip santykinai kuklios žvaigždės gali sukurti galingus smūgius ir tarnauti kaip ekstremalios fizikos laboratorijos.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą