Novinky

Na čem pracujeme: Prášící supernovy a přebytek infračerveného záření u mladých hvězdokup

Supernovy jsou jevy, které skutečně převratně mění své blízké okolí. V minulosti byly supernovy jedním z rozhodujících faktorů, ovlivňujících chemické složení vesmíru. Nedávno bylo zjištěno, že tyto dramatické jevy jsou velmi intenzivním zdrojem prachu. Sergio Martínez-González, Richard Wünsch a Jan Palouš z ASU vytvořili studii, jež si kladla za cíl vysvětlit pozorovaný přebytek infračerveného záření v mladých hvězdokupách prachovými pozůstatky po explozích supernov. 

Supernovy, zejména ty z velmi hmotných hvězd, jež vznikají při gravitačním kolapsu jader těchto hvězd, jsou velmi důležitými faktory ovlivňujícími život okolních hvězd ve hvězdokupách. O tom, že supernovy mohou být také jedním z důležitých zdrojů mezihvězdného prachu, se spekulovalo již několik desetiletí. Teoretické modely totiž předpovídají, že v materiálu vyvrženém při výbuchu nastávají vhodné podmínky ke kondenzaci prachových zrn z těkavých prvků. Teprve nedávno bylo ale pozorováním několika relativně blízkých zbytků po výbuších supernov ukázáno, že supernovy prach skutečně vytvářejí. A nezanechávají ho po sobě zrovna málo, supernova pocházející z hvězdy s 13 hmotnostmi Slunce podle teoretických modelů vychrlí do svého okolí desetinu hmotnosti Slunce ve formě prachu, pokud byla předchůdcem supernovy hvězda s 80 slunečními hmotami, bude prachu už více než tři sluneční hmoty.

Příznaky přítomnosti prachu jsou v pozůstatcích po supernovách pozorovány poměrně běžně, pro mnohé pak máme dokonce i indicie o shlukování prachových zrn, přičemž pak v prašné obálce vznikají nehomogenní zhustky. Prach však nezůstává v mezihvězdném prostředí netknutý, o to méně v prostředí hustých hvězdokup. Zrníčka jsou pod neustálým bombardováním jednak zářením horkých hvězd, ale také nabitých částic, jež jsou neseny v intenzivních hvězdných větrech, což prachová zrna zahřívá a díky tomu je pozorujeme v infračerveném oboru spektra. Navíc se celá prachová obálka postupně rozpíná. Na čele obálky se formují hned dvě rázové vlny, jejichž původ je ve vzájemné interakci pozaďového materiálu s vyvrženou látkou.

Výbuchy supernov jsou v mladých hvězdokupách časté, proto jednotlivé obálky vzájemně interagují, přičemž se vytváří centrální přetlak, v jehož důsledku se formuje silný vítr vanoucí ven z hvězdokupy, jehož teplota přesahuje milion stupňů a hustota dosahuje až tisíce částic v krychlovém centimetru. Některá prachová zrna se působením okolního prostředí rozpadají tepelnými jevy.

V mladých hvězdokupách je tak pozorován přebytek infračerveného záření v oblasti vlnových délek kolem jednotek mikronů, který je sice tradičně modelován tepelným zářením prachu s teplotou několika stovek stupňů, ale všechny struktury pozorované ve spektru tímto zjednodušeným modelem nelze vysvětlit.

Sergio Martínez-González a jeho spolupracovníci z ASU napsali práci, ve které s pomocí numerických simulací pečlivě popsali interakci prachu vznikajícího při výbuších supernov s prostředím hmotných mladých kup a vliv těchto interakcí na celkové záření v mikrometrové oblasti spektra. Autoři nezůstali jen u obecného popisu, ale porovnali vytvořený model se čtyřmi známými mladými hvězdokupami s věkem mezi 4 a 6 miliony let, jež jsou pozorovány v blízké galaxii M33 v Trojúhelníku. Tyto hvězdokupy jsou ještě ve fázi, kdy se v nich supernovy z hmotných hvězd objevují – obecně se soudí, že první supernovy vybuchují 3,5 miliardy let po vzniku kupy.

Autoři ukazují, že jejich model dobře vysvětluje základní vlastnosti spektrálního rozdělení energie v blízké a střední infračervené oblasti, přičemž se v této oblasti hlavně projevují tři jevy. Jednak tepelné záření chladného prachu s velmi nízkou teplotou okolo deseti kelvinů. Jde o chladný prach nacházející se ve zbytcích molekulárního oblaku, ze kterého hvězdokupa vznikla. Druhá komponenta odpovídá tepelnému záření teplejšího prachu s teplotou 50 až 100 K, jež pochází především od malých prachových zrn. A právě tento prach byl pravděpodobně vytvořen supernovami. Třetí složkou jsou spektrální pásy pocházející od polycyklických aromatických uhlovodíků (PAHů).

Autoři poukazují na existenci a vliv dalších zdrojů prachu, například prach pocházející z obálek horkých Wolfových-Rayetových hvězd. Podle autorů však tyto složky mají jen zanedbatelný vliv na na vlastnosti infračervených spekter ve studované oblasti. Pokud je autory předkládaný model správný, pak je ovšem pozorovaný přebytek v blízké a střední infračervené oblasti jen dočasný a postupně se utlumí, jak bude hvězdokupa stárnout a výbuchy supernov se stanou vzácnými až ustanou zcela. Poté převáží celkový vliv prostředí, mezihvězdná látka se dostane do rovnováhy a pozorovaný přebytek infračerveného záření zcela zmizí.

Michal Švanda

Citace práce

Martínez-González, S., Wünsch, R., Palouš, J., Can dust injected by SNe explain the NIR-MIR excess in young massive stellar clusters?, Astrophysical Journal v tisku, preprint arXiv:1705.08899

Kontakt: Mgr. Richard Wünsch, Ph. D., richard.wunsch@asu.cas.cz