Supernowe to jedne z najbardziej energetycznych zdarzeń we wszechświecie. Podzbiór z nich obejmuje rozbłyski promieniowania gamma, w których większość emitowanej energii pochodzi z fotonów o bardzo wysokiej energii. Wydaje nam się, że wiemy, dlaczego tak się dzieje – czarna dziura pozostała po eksplozji wyrzuca dżety materii z prędkością bliską prędkości światła. Jednak szczegóły dotyczące tego, jak i gdzie te dżety wytwarzają fotony, nie są jeszcze w pełni opracowane.
Niestety wydarzenia te dzieją się zbyt szybko i zbyt daleko, więc nie jest łatwo uzyskać szczegółowe notatki na ich temat. Jednak niedawny rozbłysk gamma nazwany BOAT (najjaśniejszy kiedykolwiek zarejestrowany) może dostarczyć nam nowych informacji o wydarzeniach w ciągu kilku dni od wybuchu supernowej. Nowy artykuł opisuje dane z teleskopu, który był skierowany we właściwym kierunku i czuły na ekstremalnie wysokoenergetyczne promieniowanie z tego zdarzenia.
Muszę wziąć prysznic
Wspomniany „teleskop” jest Duże obserwatorium pęków powietrza na dużej wysokości (LHAASO). Położone trzy mile (4400 metrów) nad poziomem morza obserwatorium jest zestawem instrumentów, które nie są teleskopem w tradycyjnym tego słowa znaczeniu. Zamiast tego ma wychwytywać pęki powietrza – skomplikowany łańcuch szczątków i fotonów, które powstają, gdy wysokoenergetyczne cząstki z kosmosu zderzają się z atmosferą.
Choć ograniczone w porównaniu z konwencjonalnymi teleskopami, detektory pęków powietrza mają pewne zalety w odniesieniu do zdarzeń takich jak ŁÓDŹ. Mają bardzo szerokie pole widzenia, ponieważ tak naprawdę nie muszą skupiać się na zdarzeniu, ale muszą je zrekonstruować na podstawie fotonów i cząstek, które docierają do powierzchni Ziemi. Są wrażliwe tylko na zdarzenia o wysokiej energii, co oznacza, że światło dzienne ma zbyt niską energię, aby zakłócać, więc mogą działać przez całą dobę.
Ponieważ LHAASO zbierał dane, gdy wybuchła supernowa BOAT, jego detektory nie tylko wykryły początek zdarzenia, ale były w stanie śledzić jego ewolucję przez kilka dni później. Chociaż rozdzielczość przestrzenna była słaba, istniała ogromna ilość danych, wszystkie oddzielone długością fali. W ciągu pierwszych 100 minut wykryto ponad 64 000 fotonów o energiach przekraczających 200 GeV. Dla kontekstu przekształcenie całej masy protonu w energię daje prawie jeden GeV.
Jedną z pierwszych rzeczy, która była oczywista, była ogromna różnica między fotonami o niższych (ale wciąż bardzo wysokich!) energiach a fotonami z bardziej ekstremalnych krańców widma elektromagnetycznego. Dane z fotonów, które były powyżej TeV, zmieniały się płynnie w czasie, podczas gdy te w zakresie megaelektronowoltów wahały się w górę iw dół.
Zrozumienie danych
Naukowcy sugerują, że dane te są zgodne z propozycją, że zdarzenia o niskiej energii są powodowane przez dżety oddziałujące z turbulentnymi szczątkami supernowej. Ponieważ te szczątki byłyby złożone i znajdowałyby się blisko źródła dżetów, ograniczyłoby to ilość cząstek kosmicznych w dżetach, które musiałyby przyspieszyć, ograniczając w ten sposób ich energię.
Z kolei fotony o wyższej energii są wytwarzane w regionach, w których dżety zeskrobały szczątki supernowej i zaczęły wchodzić w interakcje z materią tworzącą otoczenie gwiazdy – cząstkami prawdopodobnie bombardowanymi przez gwiezdny odpowiednik wiatru słonecznego. Jest to bardziej rzadkie i jednolite środowisko, dzięki czemu dżety mogą pokonywać mniej burzliwą ścieżkę przyspieszania cząstek do ekstremalnych energii potrzebnych do wytworzenia fotonów o energiach wyższych niż TeV.
Chociaż przedostanie się przez szczątki supernowej wydaje się trudne, proces zachodzi bardzo szybko, ponieważ dżety przyspieszają cząstki do prędkości bliskiej prędkości światła. Dlatego potrzeba tylko około pięciu sekund, aby zobaczyć szybki wzrost fotonów TeV w danych.
Stamtąd jest łagodniejszy zjazd, który trwa około 13 sekund. Zespół badawczy stojący za pracą sugeruje, że dotyczy to dżetów wchodzących w interakcję z cząstkami w środowisku poza pozostałością gwiazdy i przyspieszających je. Zwiększa to liczbę fotonów o wysokiej energii, ale jednocześnie odprowadza część energii z dżetów, gdy są one wypychane na większy stos materiału, gdy przechodzą przez środowisko.
W końcu ta akumulacja materii przyciąga wystarczającą ilość energii, aby liczba fotonów o wysokiej energii zaczęła stopniowo spadać. Ten spadek jest na tyle powolny, że trwa około 11 minut.
W przypadku supernowej BOAT nastąpił gwałtowny spadek liczby fotonów o wysokiej energii. Uważa się, że jest to spowodowane rozszerzaniem się dżetów w miarę oddalania się od źródła, co oznacza, że łódź była tak jasna, jak ją obserwowaliśmy, ponieważ centralny rdzeń jej odrzutowca był skierowany bezpośrednio na ziemię. Czas tego zniżania dostarcza również pewnych informacji o tym, jak szeroki jest samolot w tym czasie.
Nadal jest wiele do nauczenia się o tych wydarzeniach – na przykład nadal nie jesteśmy pewni, w jaki sposób czarne dziury uwalniają strumienie materii. Ale tego rodzaju szczegółowe obserwacje mogą dać nam lepsze wyobrażenie o czasie i dynamice powstawania dżetów, co ostatecznie pomoże dostarczyć modele tego, co dzieje się podczas formowania się czarnych dziur i dżetów.
Nauka, 2023. DOI: 10.1126/science.adg9328 (o DOI).
