Eksplozje umierających gwiazd, znane jako supernowe, są jednymi z najpotężniejszych wydarzeń w całym naszym wszechświecie, uwalniając więcej energii niż Słońce w ciągu całego swojego 10-miliardowego życia. (Słońce też nie jest małym graczem – co 10 sekund produkuje energię prawie biliona bomb o mocy 1 megatony.)
Sama moc eksplozji supernowej wystarcza, by wyrzucić odłamki z prędkością około 20 milionów mil na godzinę, generując fale uderzeniowe – fale ciśnienia, które poruszają się szybciej niż prędkość dźwięku, zderzając się z otaczającym je gazem i pyłem. Gdy fale uderzeniowe promieniują na zewnątrz w przestrzeń kosmiczną, gwałtownie podgrzewają ten materiał do temperatur rzędu dziesiątek milionów stopni, powodując, że pozostałość po supernowej świeci w promieniach X.
Takie ogromne, szybkie siły mogą wydawać się całkowicie nie do powstrzymania, ale w przypadku jednej z pozostałości po supernowej w naszej Galaktyce, G21.5-0.9, obrazy z należącego do NASA Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra ujawniają, że tajemnicza obecność była w stanie zatrzymać G21.5-0.9 na ich drodze.
Pozostałość po supernowej G21.5-0.9
(Credit: NASA/CXC/U.Manitoba/H.Matheson & S.Safi-Harb)
Większość powłoki pozostałości supernowej na tym zdjęciu G21.5-0.9 wygląda na nienaruszoną i kulistą, tak jak można by się spodziewać po doskonałej, symetrycznej eksplozji w doskonałej próżni. Ta słabo świecąca powłoka wyznacza przód fali uderzeniowej supernowej, która gwałtownie rozszerza się na zewnątrz. Jednakże, wierzchołek powłoki G21.5-0.9 jest tutaj zaburzony i spłaszczony, rozbijając czysty skądinąd okrąg na plątaninę włókien. To prawie tak, jakby kosmiczna pięść uderzyła w pozostałość po supernowej, zatrzymując falę uderzeniową na północy.
Co mogłoby być tak nieruchome wobec tych potężnych fal uderzeniowych? Kiedy w 2018 r. przybyłem do Centrum Astrofizyki, aby badać G21.5-0.9 pod kierunkiem dr Pat Slane, już wtedy podejrzewaliśmy, że odpowiedź może być związana ze zmianami w luźnym gazie i pyle na zewnątrz pozostałości po supernowej, inaczej zwanym medium międzygwiezdnym.
Aby zbadać to przeczucie, przeprowadziliśmy symulacje komputerowe, w których mogliśmy obserwować oryginalną eksplozję G21.5-0.9 i śledzić jej wygenerowane fale uderzeniowe w czasie. Kiedy ustawiliśmy ośrodek międzygwiezdny w symulacji na stałą gęstość, co dało nam równomierne rozłożenie gazu i pyłu (czego zwykle spodziewamy się zobaczyć w przestrzeni kosmicznej), fale uderzeniowe rzeczywiście wydawały się rozszerzać w idealnym okręgu wokół centrum supernowej.
Gdy jednak zmieniliśmy gęstość ośrodka międzygwiazdowego, okazało się, że symulacje odpowiednio dostosowały kształt pozostałości po supernowej. Jeśli ustawimy region o dużej gęstości nad supernową, promieniujące fale uderzą w ten region i zostaną spowolnione przez gruby zbiór gazu i pyłu. Spłaszczyłoby to wierzchołek idealnego skądinąd okręgu utworzonego przez otoczkę pozostałości po supernowej, tak jak to widzimy w G21.5-0.9.
Po wielu symulacjach dostosowujących specyfikę tego regionu o wysokiej gęstości, odkryliśmy, że ustawienie jego gęstości na 20 razy(!) gęstości otaczającego ośrodka międzygwiezdnego i ustawienie jego położenia na 6 lat świetlnych na północ od centrum supernowej dało pozostałość po supernowej w niemal dokładnym kształcie G21.5-0.9.
Nawet jeśli rozgryźliśmy jak G21.5-0.9 uzyskała swój kształt, nadal nie wiemy, jaka konkretna kombinacja gazu i pyłu (wodoru? grafitu? czegoś innego?) stworzyła tak gęsty region w ośrodku międzygwiazdowym, ani dlaczego ten gaz i pył miałby się tak gęsto zlepiać.
Na szczęście dla nas, kilka innych teleskopów poza Chandrą skierowało się na G21.5-0.9 w ostatnich latach, włączając w to Hitomi, NuSTAR, Swift, XMM-Newton oraz INTEGRAL. Przy tak wielu misjach, które chcą zebrać jeszcze więcej danych na temat tej pozostałości po supernowej o osobliwym kształcie, miejmy nadzieję, że odpowiedzi na te pytania nie są odległe.
Wyniki przedstawione w tym artykule są zawarte w nadchodzącej pracy na temat G21.5-0.9, której pierwszym autorem jest Soichiro Hattori z NYU Abu Dhabi. Praca ta zostanie wkrótce złożona w The Astrophysical Journal.
-Emily Zhang