С тех пор, как они были обнаружены в 2018 году, быстрые синие оптические транзиенты (FBOT) совершенно удивляли и полностью сбивали с толку как наблюдателей, так и астрофизиков-теоретиков.
Так горячие, что светятся голубым, эти загадочные объекты являются самым ярким известным оптическим явлением во Вселенной. Но поскольку пока обнаружено лишь несколько, происхождение FBOT остается неуловимым.
Теперь группа астрофизиков Северо-Западного университета представляет новое смелое объяснение происхождения этих любопытных аномалий. Используя новую модель, астрофизики считают, что FBOT могут возникать из-за активно охлаждающихся коконов, окружающих струи, запускаемые умирающими звездами. Это первая астрофизическая модель, которая полностью согласуется со всеми наблюдениями, связанными с FBOT.
Исследование было опубликовано 11 апреля в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.
Когда массивная звезда коллапсирует, она может запускать потоки обломков со скоростью, близкой к скорости света. Эти выбросы, или джеты, сталкиваются с разрушающимися слоями умирающей звезды, образуя «кокон» вокруг джета. Новая модель показывает, что по мере того, как струя выталкивает кокон наружу - от ядра коллапсирующей звезды - он охлаждается, выделяя тепло в виде наблюдаемого излучения FBOT.
«Струя начинается глубоко внутри звезды, а затем пробивает себе путь наружу, чтобы убежать», - сказал Оре Готтлиб из Northwestern, руководивший исследованием. «По мере того, как струя движется через звезду, она образует протяженную структуру, известную как кокон. Кокон окутывает джет, и продолжает это делать даже после того, как джет покидает звезду, этот кокон улетает вместе со джетом. Когда мы подсчитали, сколько энергии у кокона, оказалось, что он такой же мощный, как FBOT».
Готлиб - научный сотрудник Северо-Западного центра междисциплинарных исследований и исследований в астрофизике (CIERA). Он написал статью в соавторстве с членом CIERA Сашей Чековской, доцентом кафедры физики и астрономии Северо-Западного колледжа искусств и наук им. Вайнберга.
Водородная проблема
FBOT (произносится как F-bot) - это тип космического взрыва, изначально обнаруженный в оптическом диапазоне. Как следует из их названия, транзиенты исчезают почти так же быстро, как и появляются. FBOT достигают максимальной яркости в течение нескольких дней, а затем быстро тускнеют - намного быстрее, чем восходят и распадаются стандартные сверхновые звезды.
Обнаружив FBOT всего восемь лет назад, астрофизики задались вопросом, связаны ли загадочные события с другим классом переходных процессов: гамма-всплесками (GRB). Самые сильные и яркие взрывы на всех длинах волн, гамма-всплески также связаны с умирающими звездами. Когда массивная звезда исчерпывает свое топливо и коллапсирует в черную дыру, она выпускает джеты, производящие мощное гамма-излучение.
«Причина, по которой мы думаем, что гамма-всплески и FBOT могут быть связаны, заключается в том, что оба они очень быстрые - движутся со скоростью, близкой к скорости света, - и оба имеют асимметричную форму, нарушающую сферическую форму звезды», - сказал Готлиб.. «Но была проблема. Звездам, которые производят гамма-всплески, не хватает водорода. Мы не видим никаких признаков водорода в гамма-всплесках, тогда как в FBOT мы видим водород повсюду. Так что это не может быть одно и то же явление».
Используя свою новую модель, Готлиб и его соавторы думают, что они, возможно, нашли ответ на эту проблему. Звезды, богатые водородом, как правило, содержат водород в своем внешнем слое - слое, слишком толстом, чтобы струя могла проникнуть внутрь.
«По сути, звезда слишком массивна, чтобы струя могла пробить ее», - сказал Готлиб.«Поэтому струя никогда не выйдет из звезды, и поэтому она не может произвести гамма-всплеск. Однако в этих звездах умирающая струя передает всю свою энергию кокону, который является единственным компонентом, который покидает звезду. Кокон будет испускать выбросы FBOT, в том числе водород. Это еще одна область, где наша модель полностью согласуется со всеми наблюдениями FBOT».
Собираем картинку
Хотя FBOT ярко светятся в оптическом диапазоне, они также излучают радиоволны и рентгеновские лучи. Модель Готлиба объясняет и это.
Когда кокон взаимодействует с плотным газом, окружающим звезду, это взаимодействие нагревает звездный материал и высвобождает радиоизлучение. И когда кокон расширяется достаточно далеко от черной дыры (образованной из схлопнувшейся звезды), из черной дыры может просачиваться рентгеновское излучение. Рентгеновские лучи объединяют радио и оптический свет, чтобы сформировать полную картину события FBOT.
Хотя Готлиб воодушевлен выводами своей команды, он говорит, что необходимы дополнительные наблюдения и модели, прежде чем мы сможем окончательно понять загадочное происхождение FBOT.
«Это новый класс транзиентов, и мы так мало о них знаем», - сказал Готлиб. «Нам нужно обнаружить больше из них на более ранних этапах их эволюции, прежде чем мы сможем полностью понять эти взрывы. Но наша модель способна провести черту между сверхновыми, гамма-всплесками и FBOT, что я считаю очень элегантным».
«Это исследование прокладывает путь к более продвинутому моделированию FBOT», - сказал Чековской. «Эта модель следующего поколения позволит нам напрямую связать физику центральной черной дыры с наблюдаемыми, что позволит нам выявить скрытую физику центрального двигателя FBOT».
Исследование «Ударные струи в CCSNe могут питать зоопарк быстрых синих оптических переходных процессов» было поддержано Национальным научным фондом (номера наград AST-1815304 и AST-2107839). Авторы разработали симуляцию с использованием суперкомпьютеров Техасского центра передовых вычислений Техасского университета в Остине.
Видео: