Kravská vzplanutí ve vesmíru

Vesmírné výbuchy, jako jsou novy nebo supernovy, můžeme na Zemi pozorovat jako neopakující se zjasnění, tzv. astronomické tranzienty, s délkou trvání od milisekund až po roky. Pokroky v technologii umožňují detekovat nejen stále rostoucí množství exemplářů známých druhů tranzientů, ale i úplně nové kategorie. Fyzikální vysvětlení mechanismu vzniku a projevů tranzientů je komplikováno krátkou dobou trvání zjasnění a obrovskou vzdáleností, kvůli které se tranzienty v naprosté většině případů jeví jako bodové zdroje. Vítanými pomocníky při studiu tranzientů jsou pozorování na různých vlnových délkách elektromagnetického spektra od rádiových vln až po gama záření či dokonce detekce gravitačních vln nebo neutrin.

Velmi zajímavou nedávno identifikovanou kategorií jsou takzvané svítivé rychle se vyvíjející modré tranzienty (anglicky Luminous Fast Blue Optical Transients neboli LFBOTs). Tato zjasnění během několika dnů dosáhnou maximální svítivosti vyšší než 10⁴⁴ erg/s (více než 10miliardkrát větší než svítivost našeho Slunce) a poté během několika týdnů výrazně zeslábnou. Objekty LFBOT jsou poměrně vzácné a frekvence jejich výbuchů je jen asi 0,6 % frekvence výbuchů obyčejných supernov.¹⁾ 

Schematický diagram možného mechanismu vysvětlujícího vznik objektů LFBOT. Díváme se na řez osově symetrickým rozložením hmoty podél vertikální osy symetrie. Ve středu je černá díra (ČD), obklopená akrečním diskem o velikosti asi 1011 cm. Tento disk vznikl slapovým roztrháním hvězdy chudé na vodík. Hmota v akrečním disku pomalu padá v gravitačním poli černé díry a uvolněná energie je částečně vyzářená jako rentgenové záření. Zároveň dochází k odtoku hmoty z akrečního disku, jehož rychlost dosahuje 10 % rychlosti světla podél vertikální osy symetrie a asi pouze 3000 km/s v horizontálním směru. Plyn v polárních oblastech částečně přeměňuje (reprocesuje) rentgenové záření do optické oblasti. Srážka s okolohvězdným materiálem v polárním směru vede k vytvoření rázové vlny, která se projevuje synchrotronovým zářením v rádiové a milimetrové oblasti. V rovníkovém směru se odtok hmoty z akrečního disku sráží s plynem, který byl v tomto směru vyvržen před stovkami až tisíci lety dvojhvězdnými procesy předcházejícími slapovému roztrhání hvězdy. Srážka těchto dvou komponent vede k rázové vlně, která efektivně vyzařuje. Toto záření prochází plynem a nakonec jej můžeme pozorovat v optické oblasti.Ilustrace upravena podle Metzger B. D.: ApJ, 2022, DOI: 10.3847/1538-4357/ac6d59

Prototypem třídy LFBOT je objekt AT2018cow,²⁾ který se nachází ve vzdálenosti pouze asi 200 milionů světelných let a který byl zachycen na vlnových délkách od rádiových vln až po rentgenové záření. Optická spektra poblíž maximální svítivosti ukazují na přítomnost látky expandující s rychlostí vyšší než 10 % rychlosti světla a s teplotou okolo 30 000 K. Několik dní po maximu svítivosti se ve spektru objevují čáry vodíku a helia, ukazující na rychlosti okolo 4000 m/s. Rentgenové záření s energiemi od jednotek až po desítky keV vykazuje širokou čáru železa, která se podobá příznakům akrečních disků okolo supermasivních černých děr ve středech galaxií. Kromě toho ale rentgenová emise vykazuje kvaziperiodické oscilace s frekvencí okolo 225 Hz. Objekt AT2018cow byl detekován také na rádiových a milimetrových vlnách, které naznačují přítomnost rázové vlny spojené se srážkou rychle expandujícího materiálu s okolním prostředím, které má hustotu asi 10⁵ částic na cm³ a dosahuje do vzdálenosti okolo 1000 AU od středu výbuchu.

Vysvětlení takto složitého chování vyžaduje komplikovanou asymetrickou geometrii. Na obr. 1 je ukázka jednoho z možných modelů vysvětlujících pozorované chování objektů LFBOTs. Ve středu dění se nachází černá díra, která vznikla kolapsem hmotné hvězdy a má hmotnost několikanásobně větší než naše Slunce. Tato černá díra je obklopena plynným akrečním diskem, který mohl vzniknout například slapovým roztrháním hvězdy chudé na vodík, která okolo černé díry obíhala. Toto slapové roztrhání hvězdy je příčinou vzniku zjasnění. Kvaziperiodické oscilace a rentgenové záření vznikají v blízkosti černé díry. Z akrečního disku odtéká hmota, která podél osy symetrie dosahuje velkých rychlostí. Tento odtok hmoty je zodpovědný za změnu vlastností rentgenového záření a jeho srážka s okolohvězdným prostředím se projevuje rádiovým a milimetrovým zářením. V rovníkové oblasti interaguje odtok hmoty z akrečního disku s hustým materiálem, který mohl vzniknout interakcemi obou hvězd v době několika tisíců let před začátkem zjasnění. Z této oblasti pochází také část optického záření.

Snímek NASA, JPL-Caltech, CXC, SAO

Tranzienty LFBOTs ilustrují komplikace při interpretaci vzdálených událostí ve Vesmíru. Zdaleka ne všechny vesmírné exploze lze beze zbytku vysvětlit jako sférické události. To velmi komplikuje detailní teoretické modely založené na numerických výpočtech. Pro ilustraci, sféricky symetrickou situaci lze simulovat jako jednorozměrný problém rozdělený například do 500 výpočetních buněk. Pro dosažení stejného prostorového rozlišení pro plně trojrozměrný problém už je potřeba 500³ = 125 milionů buněk. Kdybychom pak chtěli rozlišení simulace zdvojnásobit, tak výpočetní nároky typicky vzrostou faktorem 2⁴ = 16. Faktor 2³ = 8 je způsoben nárůstem počtu výpočetních buněk a další faktor 2 je způsoben tím, že menší výpočetní buňky typicky vyžadují úměrně kratší časový krok. Studium asymetrických tranzientů tak představuje náročný výpočetní problém, který k řešení vyžaduje superpočítače.