Výzkumy v ASU AV ČR (123): Prašný vulkanismus supernov

Dnes je obecně přijímáno, že supernovy jsou velmi efektivním zdrojem prachu, který obohacuje okolí vybuchující hvězdy bezprostředně po její destrukci. Odhady založené na pozorováních říkají, že při každém výbuchu se do okolí dostává od půl až po více než jednu hmotnosti Slunce prachu. Supernovy by se tak staly jedním z nejdůležitějších zdrojů prachu ve všech epochách života vesmíru. Osud prachových částic je však poněkud nejistý. Prachová zrna vyvržená při výbuchu totiž musí přežít hned několikanásobný průchod rázové vlny bezprostředně po výbuchu, přičemž tlaková vlna má tendenci vytvořená prachová zrna doslova rozprskat. V hustých hvězdokupách dochází k výbuchům supernov dokonce opakovaně na malém prostoru, proto jsou vytvořená prachová zrna podrobována testům soudržnosti několikrát za svůj život a naivní odhady by říkaly, že v takovém prostředí nemůže být výsledná efektivita tvorby prachu zrovna vysoká. Navíc do všeho vstupuje interakce s hvězdným větrem jednotlivých členů kupy. 

 

Vědecký výzkum není však založen na dojmech a naivních odhadech, ale na rigorózním přístupu k věci. Pracovníci skupiny Fyziky galaxií Oddělení galaxií a planetárních systémů vyšetřovali tento problém s pomocí numerické simulace. Tito odborníci mají se studiem vývoje plynu v hustých hvězdokupách velké zkušenosti z minulých projektů, o některých z nich jsme referovali i v rámci tohoto seriálu. Z těchto minulých prací například přesvědčivě vyplývá, že mohutné větry mladých hvězd se za určitým poloměrem od středu kupy spojují v celkový tok horkého plynu z kupy ven. 

 

V numerické simulaci tedy Sergio Martínez-González a jeho kolegové studovali vývoj husté hvězdokupy s hmotností milionu sluncí. Tato kupa obsahovala jednak hvězdy, které podléhaly hvězdnému vývoji podle dostupných vývojových modelů, ale také reprezentativní částice plynu a prachu. Hvězdný vývoj způsobí, že přibližně 3 miliony let po začátku simulace začnou první hvězdy vybuchovat jako supernovy a tato éra trvá přibližně 40 milionů let. Výbuch byl simulován ve své jednoduché formě: místo hvězdy bylo v daném časovém kroku na pozici hvězdy přidáno určité množství kinetické energie a také plynu a prachu. 

Simulace byla počítána dnes hodně rozšířeným hydrodynamickým kódem FLASH, do něhož autoři doplnili nový modul CINDER, jehož úlohou bylo řešit  fragmentaci prachových zrn a jejich interakci s okolím. To jsou fyzikální pochody, s nimiž standardní moduly FLASHe nepočítají. Modul CINDER v sobě zahrnoval i takové pochody, jakými jsou srážky prachových zrn s ionty, které vedou k postupnému rozpadu prachových zrn a jejich vypaření. Kolizně ohřívaná prachová zrna se stávají zdrojem infračerveného záření, jehož množství též umožňuje modul vypočítat. Kombinace FLASH+CINDER řešená ve 3D vůbec poprvé umožňuje realistické posouzení přežití prachových zrn a umožňuje započíst i takové fyzikální detaily, jako je reflexe zpětné rázové vlny nebo vliv hvězdného větru na zbytek po supernově. 

 

Autoři pak blíže studovali výsledky výpočtů určitých charakteristických situací. Jako základní model studovali expanzi prachu vytvořeného supernovou do difúzního mezihvězdného prostředí. Z výsledků vyplývá, že dvojitý průchod rázové vlny je schopno bez větší úhony přečkat až 30 % prachu vytvořeného supernovou při výbuchu. Druhou studovanou situací pak byl vývoj prachového oblaku po supernově v situaci, kdy zbytek expanduje do prostředí ovlivněného hvězdnými větry masivních hvězd. Ukazuje se, že pro destrukci prachu je rozhodující dění v prvních deseti tisících letech po výbuchu. Množství přeživšího prachu pak závisí na pozici supernovy v hvězdokupě a dosahuje přinejmenším 30 %, pokud supernova vybuchne v centru kupy, až celou polovinu, pokud vybuchne při okraji. 

 

Posledním testem byla situace, kdy byl vytvořený prach podroben průchodům rázových vln později vybuchnuvších supernov. Zdá se však, že i ve extrémním případě, kdy se uváží maximální myslitelné množství výbuchů supernov, přežije z původního prachu 15 až 20 %. Vzhledem k opakovaným výbuchům však celkové množství prachu v kupě kumulativně narůstá a prach se dostává z kupy ven do jejího okolí. 

 

Autoři uzavírají, že opakované výbuchy supernov obohacují své okolí o značné množství prachu. Prachová mračna se od místa výbuchu pohybují velmi rychle a jejich šíření velmi připomíná chování hřibu vulkanického popela, který se prodírá od výbuchu stratovulkánu do výškově rozvrstvené atmosféry. Sopečné trosky se označují jako pyroklastika a po výbuchu se ukládají ve velkých vzdálenostech od samotného vulkánu, kam jsou zaneseny atmosférickými větry. Výbuchy supernov ve hvězdokupách se chovají až překvapivě podobně, byť samozřejmě na zcela jiných energetických i prostorových škálách. 

REFERENCE

S. Martínez-González, R. Wünsch, J. Palouš, Pyroclastic Blowout: Dust Survival in Isolated versus Clustered Supernovae, Astrophysical Journal 866 (2018) article id. 40, preprint arXiv:1808.06614

KONTAKT

Dr. Sergio Martínez-González, Ph.D.
martinez@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR