Mapping the Remains of a Stellar Explosion

QC 2025-09-30

Abstract

Supernovarester (engelska “supernova remnants”, SNRs) är slutprodukterna av supernovaexplosioner (SN), som inträffar när vissa massiva stjärnor når slutet av sina evolutionära cykler. När material från progenitorstjärnan kastas ut under explosionen skapas en chockvåg. När dessa chockvågor sprider sig utåt från explosionscentrum sveper de upp det omgivande mediet och bildar därmed ett skal bakom chockfronten. Medan de yttre regionerna formas av chockvågen, rymmer de centrala regionerna i vissa SNR en pulsar, en roterande neutronstjärna som avger elektromagnetisk strålning genom sin magnetiska poler, och en pulsarvindnebulosa (engelska “pulsar-wind nebula”, PWN), där relativistiska partiklar och magnetfält som flyr från pulsaren interagerar med omgivningen. På grund av deras roll i att sprida stjärnmaterial till omgivningen, bidrar SNRs avsevärt till universums kemiska utveckling.

Många aspekter av SNR-fysik återstår att upptäcka. Aktiva forskningsområden inkluderar att hitta kopplingen mellan progenitorstjärnor, SN-explosioner och de resulterande SNRs, samt att förstå de komplexa förhållandena i SNR-chocker. Dessutom, även om emissionen från de centrala pulsarer och PWNe över hela det spektrala energifördelningen är allmänt förstådd, förblir detaljerna i de underliggande fysikaliska processerna osäkra. Denna avhandling bidrar till att öka vår förståelse av dessa forskningsområden genom att presentera en detaljerad undersökning av den optiska emissionen från SNR 0540–69.3 (SNR 0540). Med hjälp av Very Large Telescopes instrument MUSE och X-shooter, presenteras här, för första gången, en integralfältspektroskopisk avbildning av hela den optiska SNR 0540 samt dess nära-infraröda spektrum.

Artikel I fokuserar på att studera formen av den optiska kontinuitetsemissionen från pulsaren och PWN i den centrala SNR 0540. Den optiska kontinuitetsemissionen från PWN analyseras genom att anpassa potenslagmodeller till spektra, vilket möjliggör konstruktionen av en rumslig karta över spektrala lutningar, kallade spektrala index, över resten. Denna spektrala indexkarta avslöjar distinkta rumsliga variationer, inklusive en torus-jet-struktur och en allmän trend av grundare spektrala index (minskande spektralt index) mot de yttre regionerna av PWN. Denna så kallade rumsliga spektrala härdning mot de yttre kanterna av PWN är motsatt till vad som tidigare observerats (t.ex. för Krabbnebulosan) och ger därför nya insikter i partikeldistributioner och acceleration i PWN. Den optiska kontinuitetsemissionen från pulsaren analyseras också och avslöjar ett mjukare pulsarspektrum (dvs. ett större spektralt index) jämfört med det rumsligt integrerade spektrumet av PWN. Detta är motsatt till vad som observerats för Krabbnebulosan, trots de många likheterna dessa två rester delar. Den spektrala skillnaden mellan SNR 0540 och Krabbnebulosans pulsarer kan sprida sig till deras respektive PWN, vilket potentiellt förklarar de kontrasterande trenderna i rumsliga spektrala indexvariationer som observerats mellan dessa två nebulosor.

Artikel II lägger till SNR 0540 till urvalet av SNRs vars optiska chockemission har studerats med moderna integralfältspektroskopiska instrument. Med hjälp av MUSE-data analyseras de rumsliga och spektrala egenskaperna hos chockrelaterade emissionslinjer med två olika analytiska tillvägagångssätt: ett för att studera kompletta emissionslinjespektra från utvalda rumsliga regioner i MUSEs synfält (engelska “field of view”, FOV) och ett annat för att erhålla rumsligt upplösta resultat för individuella emissionslinjer över hela FOV. Specialiserade bakgrunds- och emissionslinjeanpassningsalgoritmer utvecklas för båda tillvägagångssätten. Dessa metoder avslöjar inhomogen och klumpig chockemission som följer chockvågsskalet som tidigare observerats i röntgenstrålning (som demonstreras med arkivdata från Chandra), från linjer som till exempel [S II] 𝜆𝜆6716,6731 och [Fe XIV]𝜆5303. De fysikaliska egenskaperna hos de chockinteragerande regionerna uppskattas med hjälp av olika emissionslinjeförhållanden, vilket belyser den komplexa naturen hos det omgivande mediet runt SNR 0540 och bekräftar tidigare fynd för denna och liknande rester. Dessutom avslöjar ett spektrum som extraherats söder om PWN emissionslinjer vars identitet och ursprung förblir okända. Möjliga förklaringar, såsom Fe-linjer som härrör från en hög-hastighets ejekta-klump, utgör utmaningar och kräver vidare undersökning.

SNR 0540 är en ung Typ II SNR i Stora Magellanska Molnet (engelska “Large Magellanic Cloud”, LMC), som hyser en mycket energirik pulsar och en PWN. Observationer indikerar att denna rest expanderar i en kavitet där dess chockfront interagerar med det omgivande mediet. Resultaten i denna avhandling tyder på att det optiska kontinuerliga emissionen från pulsarer och deras nebulosor kan vara mer komplex än tidigare antagits. Befintliga modeller är i stor utsträckning baserade på Krabbnebulosan, till vilken SNR 0540 ofta betraktas som en “tvilling”, men denna avhandling identifierar ytterligare viktiga skillnader mellan de två. Dessa resultat påkallar ytterligare optiska observationer av kontinuerlig emission från pulsarer och PWNe, liksom fortsatt teoretisk utveckling inom detta område. Dessutom, stödjer denna avhandling liknande studier av chockinteraktion i andra SNRs i LMC och Lilla MC, där de underliggande chocförhållandena dokumenteras och det visas att chockfrontens utveckling är stark påverkad av det omgivande mediet. Slutligen kan de metoder som utvecklats i denna avhandling tillämpas på andra integralfältspektroskopiska studier av SNR 0540 vid olika våglängder, liksom på motsvarande observationer av andra SNRs.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-370747