Super jasne supernowe

[rybi]

Astronomowie pracujący w ramach projektu Supernova Legacy Survey (w skrócie SNLS) odkryli ostatnio dwie najjaśniejsze i najbardziej odległe supernowe jakie kiedykolwiek były obserwowane. Znajdują się one w odległości około 10 miliardów lat świetlnych od nas i są około sto razy jaśniejsze od zwykłych supernowych. Otrzymały oznaczenia programu obserwacyjnego Supernova Legacy Survey SNLS-06D4eu i SNLS-07D2bv. Ich odkrycie zostało opublikowane w prestiżowym Astrophysical Journal w dn. 20 grudnia 2013 r. Artykuł można znaleźć również w materiale źródłowym A.Howell i inni (2013) dostępnym w Internecie.

 

Nowo odkryte supernowe są szczególnie zagadkowe, gdyż nie jest znany mechanizm generowania tak dużych ilości energii. Kolaps grawitacyjny gwiazdy i powstanie czarnej dziury lub zwykłej gwiazdy neutronowej nie jest w stanie wyjaśnić ich ekstremalnych jasności. Odkryte w latach 2006-2007 supernowe były tak niezwykłe, że początkowo astronomowie nie byli w stanie wyjaśnić ich natury. Główny autor publikacji, Andrew Howell wyjaśnił to następująco: "Początkowo nie wiedzieliśmy co to za obiekty, nawet czy są supernowymi, czy są w naszej Galaktyce lub gdzieś dalej. Pokazałem obserwacje na konferencji i wszyscy byli skonfundowani. Nikt nie przypuszczał, że są to odległe supernowe ponieważ wymagałoby to niewyobrażalnie wielkich energii. Uważaliśmy, że jest to niemożliwe." Hawell jest astronomem pracującym w Las Cumbres Observatory Global Telescope Network (LCOGT) i UC Santa Barbara.

 

Jedna z odkrytych supernowych, oznaczona SNLS-06D4eu, jest najbardziej odległym i prawdopodobnie najjaśniejszym przedstawicielem nowego rodzaju obiektów nazywanych super jasnymi supernowymi (skrót SLSN od angielskiego Super Luminous SuperNovae ? nie mylić z SNLS). W widmie supernowej nie zaobserwowano wodoru.

 

Ostatnie badania wykazały, że w tych supernowych najprawdopodobniej po kolapsie grawitacyjnym gwiazdy powstał magnetar. Jest to gwiada neutronowa o krańcowo silnym polu magnetycznym, która obraca się kilkaset razy na sekundę. Magnetar posiada masę Słońca spakowaną do rozmiarów kilkunastu kilometrów i pole magnetyczne setki trylionów silniejsze do ziemskiego. Dla porównania zwykła gwiazda neutronowa tuż po narodzinach wykonuje maksymalnie "zaledwie" kilkudziesiąt obrotów na sekundę. Kilkanaście takich bardzo jasnych supernowych jest znanych od roku 2009, kiedy zidentyfikowano pierwszy obiekt. Powstanie magnetara jest postulowane jako możliwe źródło energii zasilającej wybuch SLSN. Praca Howell'a i jego współpracowników jest jednym z pierwszych szczegółowych dopasowań obserwacji do modeli teoretycznych dotyczących tego, jak taki wybuch mógłby wyglądać.

 

Współautor wspomnianej publikacji, Daniel Kasen (astronom pracujący w UC Berkeley i Lawrence Berkeley National Lab) stworzył modele supernowych, które wyjaśniają te obserwacje jako zjawisko eksplozji gwiazdy zaledwie kilka razy cięższe od Słońca o jądrze węglowo-tlenowym. Prawdopodobnie początkowo gwiazda była znacznie cięższa, ale odrzuciła zewnętrzne warstwy na długo przed wybuchem, pozostawiając tylko niewielkie, gołe jądro. Według Kasen'a : "To co sprawia, że magnetar jest  wyjątkowym obiektem to ekstremalnie szybka rotacja. Kiedy ostatecznie gwiazda umiera, zapadające się jądro może zmienić się w magnetar ? taki rodzaj ogromnego wirującego bąka. Wtedy olbrzymia energia rotacji może się uwolnić poprzez kataklizm z udziałem pola magnetycznego". Dla supernowej SNLS-06D4eu model magnetara o okresie rotacji 2 milisekundy (500 obrotów na sekundę!!!), polu magnetycznym 2x1014 Gausa i progenitor 3Mo najlepiej pasują do danych obserwacyjnych.

 

Supernowe zostały odkryte w ramach programu obserwacyjnego SNLS z użyciem kanadyjsko-francusko-hawajskich teleskopów (Gemini ? apertura  8,1m, Keck ? 10m) i Very Large Telescope (VLT) - apertura 8,2m. Ten projekt trwa już od 5 lat. W tym czasie odkryto tysiące supernowych. Początkowo przypadki jasnych supernowych nie można było poprawnie zidentyfikować ani znaleźć dokładnej odległości. Dopiero po dalszych obserwacjach za pomocą   teleskopu VLT w Chile słabej galaktyki macierzystej, w której wybuchła supernowa SNLS-06D4eu, astronomom udało się wyznaczyć odległość i energię wybuchu. Kolejne lata teoretycznych analiz były potrzebne, aby zrozumieć w jaki sposób tak zdumiewająca ilość energii może się wygenerować. 

 

Opisywane supernowe są tak daleko, że światło ultrafioletowe emitowane w wybuchu zostało przesunięte przez ekspansję Wszechświata do zakresu widma, gdzie nasze oczy i teleskopy mogą je widzieć. To wyjaśnia dlaczego początkowo astronomowie zostali zbici z tropu przez dane obserwacyjne. Nigdy wcześnie nie widzieli widma supernowej w tak dalekim w ultrafiolecie. To stworzyło im rzadką okazję do poznania mechanizmu tych supernowych. Bardzo jasne supernowe są tak gorące, że maksimum emitowanego światła przypada na zakres ultrafioletowy widma.  Ponieważ światło ultrafioletowe nie jest przepuszczane przez atmosferę ziemską, nigdy wcześniej nie były w pełni obserwowane. Supernowe wybuchły, gdy Wszechświat miał "zaledwie" 4 miliardy lat. Dr Howell wyjaśnił to obrazowo : "Stało to się przed powstaniem Słońca. W naszym sąsiedztwie umarła inna gwiazda i chmura materii z tej supernowej utworzyła Słońce i Ziemię. Powstało życie, dinozaury i ludzie. Zostały wynalezione teleskopy, które szczęśliwie skierowaliśmy we właściwe miejsce, gdy do Ziemi dotarły fotony po podróży trwającej 10 miliardów lat."

 

Tak jasne supernowe są bardzo rzadkie i występują około raz na 10 tysięcy przypadków zwykłych supernowych. Wydaje się, że wybuchają one w galaktykach pierwotnych z małą ilością pierwiastów cięższych od wodoru i helu. Takie galaktyki były powszechne we wczesnym Wszechświecie. Jak powiedział dr Howell : "Są to dinozaury wśród supernowych. Wymarłe w dzisiejszych czasach, ale bardzo powszechne, gdy Wszechświat był młody. Na szczęście możemy wykorzystać teleskopy by spojrzeć wstecz w czasie i badać ich "skamieniałe" światło. Mamy nadzieję, że znajdziemy więcej tego typu supernowych w aktualnie trwających i przyszłych przeglądach obserwacyjnych."   

 

Rysunek 1. Mały fragment jednego z pól obserwowanych w projekcie Supernova Legacy Survey pokazujący supernową SNLS-06D4eu i jej galaktykę macierzystą (strzałka). Ta supernowa wraz z galaktyką są tak daleko, że widać je tylko jako mały punkt świetlny, który nie może być rozróżniony na tym zdjęciu. Jasne obiekty ze spajkami są gwiazdami Drogi Mlecznej. Wszystkie pozostałe punkty świetlne to odległe galaktyki. Materiał źródłowy J.Cohen (2013).

 

 

Powyższy temat opracowałem na podstawie następujących materiałów źródłowych:

-) A.Howell i inni, 2013, "Two superluminous supernovae from the early universe discovered by the Supernova Legacy Survey" -  http://arxiv.org/pdf/1310.0470v1.pdf

-) J.Cohen, 2013, popularno-naukowe przedstawienie badań grupy Howell'a - http://www.news.ucsb.edu/2013/013826/powerful-ancient-explosions-explain-new-class-supernovae

[Jacek E.]

Świetne napisałeś 8) 

[sagi]

jeśli magnetary obracają się z szybkością 500 obr/sek, to obracają się szybciej niż pulasary (zgodnie z wiki 100 obr/sek)

 

 

Dzięki rybi za ten post.

[rybi]

Cieszę się, że temat Was zainteresował. Nadal będę go zgłębiał. Zaraz wrzucę jeszcze coś więcej w drugiej części ...

 

 

jeśli magnetary obracają się z szybkością 500 obr/sek, to obracają się szybciej niż pulasary (zgodnie z wiki 100 obr/sek)

 

W Wikipedii napisano bardzo ciekawe zdanie czym się różni magnetar do zwykłej neutronówki:

... Gdy tempo rotacji pozostałości po supernowej zwiększy się do 300-1000 obrotów na sekundę, w ciągu kilkunastu sekund powstaje magnetar, jeżeli do 50-100 to pozostaje zwykłą gwiazdą neutronową...

Nie znam szczegółów, ale ta potworna energia rotacji magnetara (z pomocą pola magnetycznego) jest potem w jakiś sposób zamieniana na dodatkową jasność supernowej. Przez to supernowa zyskuje na jasności w maksimum nawet kilkadziesiąt razy - i widzimy SLSN - "superjasną" supernową.

 

Niesamowite ... :)

[rybi]

:) I część druga tematu o SLSN-06D4eu, czyli superjasnej supernowej sprzed 10 miliardów lat:

 

 Widmo supernowej SNLS-06D4eu zostało sfotografowane w zakresie widzialnym 4250-8500A przez 8,2m teleskop VLT (całkowity czas naświetlania: 1godz.15minut). Na rysunku 2 jest pokazane widmo po uwzględnieniu efektu przesunięcia ku czerwieni widma tej supernowej spowodowanego ekspansją Wszechświata (z?1.588). Jest to zakres spektralny niedostępny z powierzchni Ziemi ~1800-3400A. Atmosfera ziemska  nie przepuszcza światła o długości fali krótszej od około 3500A. Struktury absorpcyjne około 1900A, 2200A, 2400A i 2700A pochodzą odpowiednio od żelaza (Fe III), węgla (C III / C II), węgla (C II) i węgla/magnezu (C II / Mg II). Identyfikacja linii widmowych została przeprowadzona za pomocą programu SYNOW.

 

Rysunek 2.  Wygląd widm prehistorycznych supernowych SNLS-06D4eu i SNLS-07D2bv w porównaniu do innych podobnych obiektów (PTF09cwl, PTF09atu, SCP06F6). Na osi rzędnych podano długość fali w Angstromach (=10-10m), skorygowaną o kosmologiczny efekt przesunięcia ku czerwieni związany z ekspansją Wszechświata (ang. Restframe Wavelength).  Przy każdym widmie podano wartość tego przesunięcia w parametrze "z=...". Na osi odciętych podano wartość skalibrowanego strumienia (ang. flux).  Jest to rysunek z publikacji  A.Howell i inni (2013).

 

 

Na rys.3 pokazano jaki wpływ na wygląd widma ciała niebieskiego ma kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni. Jest to przykład z dziedziny radioastronomii dotyczący fal elektromagnetycznych o znacznie większych długościach niż optyczne, ale zasada jest ta sama (należy pamiętać o następującej zależności dla fotonów: Długość_fali x Częstotliwość = Prędkość_światła, aby przeliczać "optyczne" angstromy/nanometry na "radiowe" gigaherce i vice versa).

Załóżmy, że obserwujemy prehistoryczną supernową/kwazara, itp., która znajduje się w odległości ok. 8 miliardów lat świetlnych (z =1, patrz tabela 1). Nasz przyrząd obserwacyjny (tutaj radioteleskop) rejestruje fotony w zakresie widmowym od 4 do 5 GHz. Ale te fotony zostały wyemitowane ze źródła w zakresie spektralnym od 8 do 10GHz :

4(1+z) = 4(1+1) = 8 GHz,

5(1+z) = 5(1+1) = 10 GHz.

 

W powyższych obliczeniach wykorzystano następującą zależność (patrz materiał źródłowy T.Herter 1.) : 

?e = ?o (1+z)

gdzie:

?e -  częstotliwość promieniowania emitowana przez źródło oddalające się od obserwatora,

?o -   częstotliwość promieniowania mierzona przez obserwatora,

z   -  przesunięcie ku czerwieni.

Według T.Herter 1., efekt kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni ma następujący wpływ na obserwowany strumień promieniowania:

-) zmniejsza się szerokość pasma obserwacyjnego (na przykładzie z rys.3 z 2 GHz do 1 GHz),

-) fotony tracą energię,

-) przez dylatację czasu fotony wychodzą ze źródła z mniejszą częstotliwością.

 

 

Rysunek 3. Wpływ kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni na wygląd widma (strumień/częstotliwość, ang.flux/frequency). Niebieska linia ciągła - widmo rzeczywiste obiektu, czerwona linia przerywana ? widmo obserwowane, czerwony prostokąt ? szerokość pasma obserwowanego przez teleskop na Ziemi, niebieski prostokąt ? szerokość pasma emitowanego przez źródło bez efektu kosmologicznego redshiftu (źródło T.Herter 2).

 

 

Materiały źródłowe:

-) A.Howell i inni, 2013, "Two superluminous supernovae from the early universe discovered by the Supernova Legacy Survey" -  http://arxiv.org/pdf/1310.0470v1.pdf

-) J.Cohen, 2013, popularno-naukowe przedstawienie badań grupy Howell'a - http://www.news.ucsb.edu/2013/013826/powerful-ancient-explosions-explain-new-class-supernovae

-) Terry Herter 1, - "The Expanding Universe ? lecture 17" -  http://astro.cornell.edu/academics/courses/astro4432/lectures/A4432_17%20(The%20Expanding%20Universe).pdf

-) Terry Herter 2, "The Expanding Universe ? lecture 18" -  http://astro.cornell.edu/academics/courses/a290/lectures/A2290_18%20(The%20Expanding%20Universe).pdf

[statek]

Świetne opracowanie :)

Poznajemy kosmiczne dinozaury :)

[Alien]

:)  I takich tematów brakuje oby było jak najwięcej.

[rybi]

Z korespondencji z jednym z bardzo dociekliwych forumowiczów wynikły jeszcze następujące sprawy:

 

 

1.

Według T.Herter 1., efekt kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni ma następujący wpływ na obserwowany strumień promieniowania:

-) zmienia się szerokość pasma obserwacyjnego (na przykładzie z rys.3 z 1GHz do 2GHz),

-) fotony tracą energię,

-) przez dylatację czasu fotony wychodzą ze źródła z mniejszą częstotliwością.

Już nie można poprawiać tego postu. Powyższy tekst powinien brzmieć następująco:

Według T.Herter 1., efekt kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni ma następujący wpływ na obserwowany strumień promieniowania:
a) zmniejsza się szerokość pasma obserwacyjnego (na przykładzie z rys.3 z 2GHz do  1GHz),

...

 

 

2.

I jeszcze jedna uwaga o związku długości fali z częstotliwością fali elektromagnetycznej  (na rys.2 na osi rzędnych jest długość fali, a na rys.3 - częstotliwość) ...

 

Jak się ma szerokość pasma obserwacyjnego wyrażona w GHz do szerokości pasma wyrażonego w angstromach.
Odp. Im węższe pasmo w GHz tym szersze w angstromach/nanometrach i odwrotnie.

 

Na podstawie wzoru: lambda*ni=c
(czyli długość fali*częstotliwość=prędkość światła = 300000000m/s)
otrzymujemy kolejny wzór: :)
Delta lambda = Lambda2-Lambda1 = c*(1/ni2-1/ni1) = c*(ni1-ni2)/(ni1*ni2)

 

Przykład z rys.3 --> zakres spektralny obserwowany:
ni1=4GHz, ni2=5GHz -->
Delta ni = 1GHz,
Delta lambda = 300000000*1000000000/20 000000000 000000000 m = 0,015 metra,

 

Przykład z rys.3 --> zakres spektralny emitowany ze źródła:
ni1=8GHz, ni2=10GHz -->
Delta ni = 2GHz,
Delta lambda = 300000000*2000000000/80 000000000 000000000 m = 0,0075 metra.

[Krzysztof_K]

Już nie można poprawiać tego postu. Powyższy tekst powinien brzmieć następująco:

Według T.Herter 1., efekt kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni ma następujący wpływ na obserwowany strumień promieniowania:

a) zmniejsza się szerokość pasma obserwacyjnego (na przykładzie z rys.3 z 2GHz do  1GHz),

...

Poprawiłem.

Pozdrawiam

KK

[rybi]

W najnowszej Proximie na stronie 13 jest pełne moje opracowanie na prehistorycznych supernowych SNLS-06D4eu i SNLS-07D2bv.

Zachęcam do lektury. :)

http://www.astronomica.pl/proxima15.pdf

[roofer]

 

 

Nowa supernowa w M99