Źródło zdjęcia: Hubble
Nowy artykuł opublikowany w czasopiśmie Nature pomaga rozwiązać długoletnią tajemnicę dotyczącą niektórych z najwcześniejszych cząstek stałych we Wszechświecie. W przeszłości znaleziono gorący pył, ale zimniejszy pył był w większości niewidoczny - do tej pory. Wydaje się, że supernowe są niezwykle wydajne w wytwarzaniu pyłu, który później tworzy planety, skały i ludzi.
Właśnie odkryliśmy, że niektóre supernowe mają złe nawyki - wydzielają ogromne ilości dymu, znanego jako kosmiczny pył. To rozwiązuje od dawna tajemnicę pochodzenia kosmicznego pyłu i sugeruje, że supernowe, które eksplodują gwiazdy, były odpowiedzialne za wytwarzanie pierwszych stałych cząstek we Wszechświecie.
Najwyżsi podejrzani
Supernowe to gwałtowne wybuchy gwiazd, które mają miejsce pod koniec ich życia. Występują one co około 50 lat w naszej Galaktyce i istnieją dwa główne typy - Typ Ia i II. Typ II to eksplozje bardzo masywnych gwiazd o masie większej niż 8-krotność masy Słońca (Msun). Te gwiazdy „żyją szybko - umierają młodo” zużywając wodór i paliwo helowe w zaledwie kilka milionów lat, tysiące razy szybciej niż Słońce pali to paliwo. Kiedy zapasy paliwa zostaną wyczerpane, gwiazda musi palić coraz cięższe pierwiastki, aż w końcu, gdy nie będzie już w stanie utrzymać się przy życiu, wewnętrzne części gwiazdy zapadną się, tworząc gwiazdę neutronową lub Czarną Dziurę, a części zewnętrzne zostaną odrzucone w kataklizmie nazywamy supernową. Ogromna eksplozja zamiata otaczający gaz w powłokę, która świeci w zakresie promieniowania rentgenowskiego, optycznego i radiowego, i wysyła fale uderzeniowe przez galaktykę. Supernowe uwalniają więcej energii w jednej chwili, niż Słońce wytworzy w ciągu całego swojego życia. Gdyby najbliższa masywna gwiazda, Betelgeuse w gwiazdozbiorze Oriona, udałaby się do supernowej, byłaby (przez krótki czas) jaśniejsza niż księżyc w pełni.
Kosmiczny ekran dymu
Pył międzygwiezdny składa się z drobnych cząstek stałego materiału unoszących się w przestrzeni między gwiazdami - o rozmiarach typowych dla dymu papierosowego. To nie to samo, co pył, który sprzątamy w naszych domach, a Ziemia jest gigantyczną bryłą kosmicznego pyłu! Odpowiada za blokowanie około połowy całego światła emitowanego przez gwiazdy i galaktyki i ma ogromny wpływ na nasze postrzeganie Wszechświata. Ta „zakurzona” chmura ma jednak srebrną podszewkę, ponieważ astronomowie mogą `` zobaczyć '' pył promieniujący skradzione światło gwiazd za pomocą specjalnych kamer zaprojektowanych do pracy na dłuższych falach, w podczerwieni (IR: 10-100 mikronów) i submilimetrach ( sub-mm: 0,3 - 1 mm) część widma elektromagnetycznego. Jeden z takich aparatów nosi nazwę SCUBA i znajduje się na teleskopie Jamesa Clerk Maxwell na Hawajach. SCUBA to zbudowany w Wielkiej Brytanii przyrząd, który wykrywa fale świetlne o długości fali poniżej mm i jest w stanie dostrzec pył w miejscu, w którym znajdują się najdalsze gwiazdy i galaktyki.
Zakurzone początki
Ostatnie obserwacje ze SCUBA wykazały, że w galaktykach i kwazarach istnieje ogromna ilość pyłu, gdy Wszechświat był zaledwie 1/10 jego obecnego wieku, na długo przed powstaniem Ziemi i Układu Słonecznego. Obecność całego tego pyłu w odległym Wszechświecie ma ogromny wpływ na to, co astronomowie mogą zobaczyć za pomocą swoich gigantycznych teleskopów optycznych, ponieważ ogranicza ilość światła gwiazd, które mogą uciec z odległej galaktyki i być widoczne na Ziemi.
To, że we Wszechświecie znajdowało się tak wiele cząstek stałych, było dla astronomów wielką niespodzianką, ponieważ uważali oni, że kurz powstaje głównie w chłodnych wiatrach z czerwonych olbrzymów pod koniec ich życia. Ponieważ gwiazda zajmuje dużo czasu, aby osiągnąć ten etap ewolucji (Słońce zajmie około 9 miliardów lat), po prostu nie było wystarczająco dużo czasu, aby powstało tak dużo pyłu w ten sposób.
„Pył został zmieciony pod kosmicznym dywanem - od lat astronomowie traktują go jako uciążliwość ze względu na sposób, w jaki ukrywa światło przed gwiazdami. Ale potem odkryliśmy, że na krawędzi Wszechświata znajduje się pył, w najwcześniejszych gwiazdach i galaktykach, i zdaliśmy sobie sprawę, że nie znamy nawet jego podstawowego pochodzenia - wyjaśnił dr Dunne.
Supernowe wytwarzają również duże ilości ciężkich pierwiastków, takich jak węgiel i tlen, i wyrzucają je w przestrzeń międzygwiezdną. Są to pierwiastki, które składają się na nasze ciała, a ponieważ są one również pierwiastkami, które tworzą ziarna pyłu, supernowe od dawna są głównym podejrzanym w tajemnicy pochodzenia kosmicznego pyłu. Ponieważ najbardziej masywne gwiazdy potrzebują zaledwie kilku milionów lat, aby dotrzeć do kresu życia i eksplodować jako supernowe, mogą szybko wytworzyć pył, aby wyjaśnić to, co widzimy we wczesnym Wszechświecie. Jednak do czasu pracy tego zespołu w supernowych znaleziono tylko niewielkie ilości pyłu - pozostawiając astronomów z pistoletem do palenia, ale bez „dymu”
Haley Morgan, doktorant z Cardiff, powiedział: „Gdyby supernowe były wydajnymi„ fabrykami ”pyłu, każda z nich produkowałaby więcej niż masę Słońca w pyle”.
„Gdy masywne gwiazdy ewoluują, by stać się supernowymi w mgnieniu oka według astronomicznych standardów, mogą łatwo wyjaśnić, dlaczego wczesny Wszechświat wydaje się tak zakurzony” - dodaje dr Rob Ivison z Royal Observatory Edinburgh.
Supernova Sleuths
Zespół z Cardiff i Edynburga użył AKWALUNGU do poszukiwania emisji pyłu w pozostałościach niedawnej supernowej. Cassiopeia A jest pozostałością po supernowej, która wydarzyła się około 320 lat temu. Znajduje się w gwiazdozbiorze Kasjopei, 11 000 lat świetlnych od Ziemi i ma około 10 lat świetlnych średnicy. Cas A jest najjaśniejszym źródłem radiowym na niebie, więc jest dobrze badany przy wielu długościach fal, od optycznego po promieniowanie rentgenowskie. Poniższe zdjęcia pokazują Cas A w promieniach rentgenowskich, optycznych, podczerwieni i radiu. Promieniowanie rentgenowskie podąża za naprawdę gorącym gazem (10 milionów stopni Kelvina), a inne długości fal śledzą materiał przy: 10 tysiącach stopni (optycznie), gorącym pyle przy 100 K (IR) i wysokoenergetycznych elektronach (radio).
Chociaż astronomowie od dziesięcioleci poszukiwali pyłu w pozostałościach po supernowych, używali instrumentów wykrywających jedynie dość ciepły pył, taki jak na powyższym zdjęciu w podczerwieni ISO. AKWALUNG ma tutaj tę zaletę, że jest w stanie zobaczyć bardzo zimny pył, a to dlatego, że działa na falach o długości większej niż sub-mm.
„W ten sam sposób, w jaki widzisz tylko żelaznego pokera świecącego, gdy jest on w ogniu, możesz zobaczyć pył tylko dzięki kamerom na podczerwień, gdy jest cieplej niż około 25 kelwinów, ale SCUBA może to zobaczyć, gdy jest jeszcze zimniej” wyjaśnił dr Steve Eales, czytelnik w dziedzinie astrofizyki na uniwersytecie w Cardiff.
Zimno trudne dowody
AKWALUNG znalazł dużą ilość pyłu w pozostałości Cas A, 1-4 razy więcej niż masa Słońca! To ponad 1000 razy więcej niż wcześniej. Oznacza to, że Cas A był bardzo wydajny w tworzeniu pyłu z dostępnych elementów. Temperatura pyłu jest bardzo niska, tylko 18 kelwinów (-257 stopni Celsjusza), i to jest powód, dla którego nigdy wcześniej go nie widziano. Poniżej znajdują się dwa zdjęcia sub-mm Cas A przy 850 i 450 mikronach zrobione z AKWALUNGEM. Widać, że lewy obraz wygląda trochę podobnie do powyższego radia, a to dlatego, że wysokoenergetyczne elektrony, które sprawiają, że obraz radiowy emituje również część swojej energii przy nieco krótszych długościach fal - zanieczyszczając emisję poniżej mm przy 850 mikronach. Środkowy obraz jest przy 450 mikronach, gdzie zanieczyszczenie jest znacznie niższe, a więc większość tej emisji pochodzi z zimnego pyłu. Jeśli usuniemy zanieczyszczenie, otrzymamy inny obraz (po prawej). Cały kurz jest widoczny w dolnej połowie pozostałości, a dwa obrazy o średnicy poniżej mm wyglądają teraz bardziej podobnie!
850 mikronów bez skażenia radiowego
„Zagadka polega na tym, że pył może pozostać tak zimny, gdy wiemy, że gaz emitowany przez promieniowanie rentgenowskie o temperaturze ponad miliona stopni emituje” - skomentował prof. Mike Edmunds, dyrektor Szkoły Fizyki i Astronomii w Cardiff.
Pył ma również inne właściwości niż pył „codzienny” w Drodze Mlecznej i innych galaktykach - lepiej „świecić” w sub-mm, być może dlatego, że jest wciąż bardzo młody i stosunkowo nieskazitelny. Gdyby wszystkie supernowe były tak wydajne w wytwarzaniu pyłu, byłyby to największe „fabryki” pyłu w Galaktyce. Dymiące supernowe stanowią rozwiązanie tajemnicy ogromnych ilości pyłu widocznego we wczesnym Wszechświecie.
„Te obserwacje dają nam kuszące spojrzenie na to, jak powstały pierwsze stałe cząstki we Wszechświecie” - powiedział Haley Morgan.
Oryginalne źródło: Cardiff University News Release
