Výzkumy v ASU AV ČR (155): Prášící supernovy v rozpínajících se hvězdných obálkách

Již z fyzikálního náhledu je zřejmé, že pokud se existujícím mezihvězdným prostředím šíří rázová vlna vyvolaná výbuchem supernovy, musí na hraně rázové vlny docházet k ničení prachových zrn původního mezihvězdného prostředí díky vypařování a jejich vzájemným srážkám. Naopak je také známo, že při výbuchu supernovy samotné se prachová zrna velmi intenzivně vytvářejí v hustém a relativně chladném plynu vyvrženém umírající hvězdou.

Numerické simulace i pozorování naznačují, že jejich značná část je schopna přežít i průchod zpětné rázové vlny šířící se do vyvržené hmoty při její srážce s okolním prostředím. Je tedy přirozené se ptát, jaká je celková bilance, tedy, zda  supernovy své bezprostřední okolí o prach obohacují, nebo jej naopak o prach připravují. 

Pozorování nedávají jednoznačné řešení: například data o supernovách ve Velkém Magellanově mračnu, naznačují, že zdejší supernovy jsou spíše prachovými ničiteli. Ovšem doposud není zřejmé, zda byla prachová zrna skutečně zničena, nebo zda byla pouze odsunuta rázovou vlnou do jiných míst mateřské galaxie. Jiní autoři poukazují na opomíjenou  skutečnost, že masivní hvězdy, které končí výbuchem supernovy, jsou zejména v pozdních fázích svého života obklopeny rozsáhlou rozpínající se bublinou vytvářenou velmi intenzivním hvězdným větrem, která shrne okolní plyn do tenké husté obálky. Na konci života hvězda neexploduje do statického rovnoměrného prostředí s určitým zastoupením prachu, ale do bubliny horkého řídkého plynu obklopené hustou chladnou obálkou. Již některé předchozí studie ukazovaly, že výsledek velmi závisí na poměru hmotnosti obálky a hmotnosti materiálu vyvrženého při výbuchu supernovy. Pokud je hmotnost obálky relativně malá, rázová vlna jí projde a dojde k destrukci prachových zrn v obálce a okolí. Naopak, pokud je obálka více hmotná, rázová vlna se od ní odrazí a uvnitř bubliny rychle zanikne, díky čemuž může podstatná část prachu přežít.

Tato problematika byla základem představované práce. Autoři, mezi nimi Richard Wünsch a Jan Palouš z ASU, s pomocí numerických simulací studovali vývoj rázové vlny vyvolané výbuchem supernovy v předem daném pozaďovém prostředí s určenými vlastnostmi. Autoři provedli několik různých výpočtů pro různé podmínky, aby získali lepší přehled o jevech, ke kterým v těchto situacích dochází. Protože simulace jsou velmi náročné na výpočetní čas i na výkonných počítačích, bylo nutno popis fyzikálních podmínek zjednodušit. Autoři sice vzali v úvahu například i vývoj hvězdy ve fázi před výbuchem supernovy, ale výbuch samotný (při němž by bylo nutné studovat dění s časovými krokem zlomků sekundy) reprezentovali jako okamžitou změnu, kdy se původní hvězda „proměnila“ v jisté množství energie a expandující materiál, jehož vlastnosti byly určeny podle dřívějších  prací. 

Jako testovací krok zvolili autoři explozi supernovy do homogenního prostředí a to hned dva různé případy lišící se hustotami, která v jednom případě dosahovala 1 cm−3 a v případě druhém 1000 cm−3. Modelový výbuch supernovy o původní hmotnosti 60 hmotností Slunce do prostředí vyvrhl 5,08 slunečních hmot plynu a 0,5 sluneční hmoty prachu. Při průchodu přímé i odražené zpětné vlny výpočtovou doménou o rozměru 10 pc (tento průchod trval kolem 6100 let) bylo celkově zničeno 1,2 slunečních hmot prachu z mezihvězdného prostředí a 0,16 slunečních hmot z prachu vyvrženého supernovou. V případě hustšího prostředí je bilance podobná, celkově je při průchodu obou vln zničeno celkově 2,35 slunečních hmot prachu. V případě výbuchu supernovy do homogenního prostředí jsou tedy supernovy zjevně spíše ničiteli než zdroji prachu. 

Zcela jiná je situace, pokud supernova vybuchne do prostředí rozpínající se obálky, jejímž původcem je předchůdce supernovy. Autoři opět studovali dva případy s různou charakteristickou hustotou okolního prostředí. V prvním případě se přímá rázová vlna a obálka hvězdného větru střetnou 3200 let po explozi supernovy. Srážka vyvolává zpětnou rázovou vlnu, která směřuje k centru výbuchu, kde se opět obrací a cestuje zpět. V tomto případě je hmotnost větrem hnané obálky dostatečná k tomu, aby byla rázová vlna ze supernovy efektivně zastavena a fakticky tak neovlivnila širší okolí. Situace je velmi podobná pro případ okolí s vyšší hustotou, rázová vlna je opět velmi efektivně tlumena. 

Z celkových součtů vyplývá, že z prachu vyvrženého supernovou je zničeno pouhých pět procent a k tomu jen 0,025 % prachu z okolního prostředí. Ze simulací je tak jasné, že masivní větrem hnané obálky představují pro rázovou vlnu pocházející od supernovy nepřekonatelnou bariéru a destrukce prachových zrn je v důsledku toho velmi neefektivní až zanedbatelná. 

Studie tedy přesvědčivě ukazuje, že supernovy jsou ve většině případů spíše zdroji prachu než jeho ničiteli. Tento závěr je v souladu s novými studiemi vlivu supernov na prach v Místní skupině galaxií. Z kosmologického hlediska  je tak možné, že právě supernovy byly hlavním zdrojem prachu v raném vesmíru. 

REFERENCE

S. Martínez-González, R. Wünsch a kol., Supernovae within Pre-existing Wind-blown Bubbles: Dust Injection versus Ambient Dust Destruction, Astrophysical Journal 887 (2019) article id. 198, preprint arXiv:1911.05079

KONTAKT

Mgr. Richard Wünsch, Ph. D. 
richard.wunsch@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.