Interacción de remanentes de Supernova con el medio interestelar circundante

Abstract

El presente trabajo estudia la interacción de remanentes de supernova (RSN) con el medio interestelar circundante como así también la generación y el desarrollo de inestabilidades hidrodinámicas que pueden darse en tales escenarios. Esta tarea se llevó a cabo tanto desde el punto de vista teórico como observacional. Una supernova es un evento que se produce y desenvuelve en escalas de tiempo sumamente cortas (la explosión en sí se da en cuestión de segundos y la supernova pueden ser visible hasta unos años después de la explosión). Sin embargo sus restos pueden mantenerse durante aproximadamente cientos de miles de años, modificando drásticamente su entorno y emitiendo energía en todo el espectro electromagnético, aunque la característica que identifica unívocamente los restos de supernova es que son fuentes extendidas (no puntuales) de radiación en radiofrecuencias de origen no térmico (emisión sincrotrónica). A los remanentes se los puede calificar como “laboratorios naturales” donde es posible estudiar diversos fenómenos, entre ellos física de ondas de choque y la evolución de inestabilidades en condiciones imposibles de reproducir en laboratorios terrestres. Estos objetos astrofísicos evolucionan pero la forma en que lo hacen depende de factores tanto endógenos como exógenos. Hasta el momento se supone que la dinámica de un remanente “joven” se encuentra gobernada por las características propias de la explosión mientras que en un remanente más desarrollado en el tiempo, son las características del medio las que priman. Para investigar la influencia de los factores internos y externos en la evolución de los RSN, en la presente tesis doctoral se abordó el estudio de cinco remanentes de supernova: Tycho, W28, W30, W50 y CTB80, los cuáles se encuentran en diferentes estados evolutivos y poseen distintas morfologías y características internas. Se realizaron observaciones en continuo de radio de W28, W30 y CTB80 utilizando el interferómetro del Very Large Array (Socorro, New Mexico, EUA) y se utilizaron imágenes de radio existentes de Tycho y W50. Debido a la extensión angular de las fuentes observadas fue necesario aplicar técnicas de mosaico en radio, para obtener imágenes de muy buena resolución angular en la frecuencia de 1465 MHz. Además se complementaron con observaciones en 328 MHz para W28 y W30. Estas observaciones permitieron obtener las mejores imágenes conocidas hasta el presente de estos remanentes en la banda espectral de radio, con una resolución angular nunca alcanzada previamente y con excelente sensibilidad. En base a estos datos en dos frecuencias se pudo investigar los índices espectrales a (Sυ α υ-α, donde Sυ es el flujo) para W28 y W30. En los casos de los RSNs de Tycho y W28 se llevó a cabo un examen de la distribución y Cinemática del gas en su entorno explorándolo a través de la línea de λ 21 cm del hidrógeno neutro. Los datos fueron adquiridos con el VLA y el radiotelescopio de Parkes (Australia), respectivamente. Para el caso de Tycho se encontró una nubecita o grumo muy denso, parcialmente embebida/o en el frente de choque, posicionalmente coincidente con la región donde la expansión de este remanente está más desacelerada. En el estudio del entorno de W28, se han hallado aglomeraciones de gas que pueden dar cuenta de la compleja morfología de esta fuente en la frecuencia de 328 y 1465 MHz. También se realizó un estudio de inestabilidades fluidodinámieas (del tipo de Rayleigh-Taylor y Kelvin Helmholtz entre otros) que se pueden desarrollar en la expansión de los remanentes de supernova, con el fin de encontrar una explicación a ciertas estructuras que son visibles en las imágenes en radio de estos remanentes. Los resultados de los modelos analíticos y numéricos implementados fueron comparados con las observaciones. De esta manera fueron analizados los RSN de Tycho y W50. Hacia el NE del RSN de Tycho se observa una estructura periódica la que fue interpretada como evidencia del desarrollo de la inestabilidad de Rayleigh-Taylor considerando efectos viscosos y magnéticos. Por otro lado, el sistema W50-SS433 muestra en su lóbulo oriental una formación helicoidal. La misma puede ser explicada como resultado de la inestabilidad de Kelvin Helmholtz en simetría cilíndrica y contemplando jets o chorros con velocidades iniciales relativistas.This research deals with the interaction between supernova remnants (SNR) and the surrounding interstellar medium, as well as with the developement of hydrodynamical instabilities that may arise in such processes. This work involves both a theoretical and an observational approach. A supernova is an event that occurs in extremely short timescales (the explosion itself takes just a few seconds, and the supernova can be visible even years after the explosion). However, their remnants can hold on for hundreds of thousand years, drastically modifying their environs and emitting energy in the whole electromagnetic spectrum, although the characteristic feature of SNR is that they are strong sources of radio emission of non-thermal origin (synchrotronic radiation). SNR can be regarded as “natural laboratories” in which it is possible to study a variety of phenomena, as for instance shock-wave physics and plasma instabilities under conditions that would be impossible to reproduce in terrestrial laboratories. The way in which these astrophysical objects evolve, depends both on endogenous and exogenous factors. So far, it is accepted that the dynamics of a “young” remnant is governed by the intrinsic characteristics of the explosion, while in a more evolved remnant, the characteristics of the ambient medium are dominant. In order to disclose the influence of intrinsic and extrinsic factors in the evolution of SNRs, in this PhD Thesis, I have carried out the study of five SNR: Tycho, W28, W30, W50 and CTB80, which are in different evolutive phases and possess different morphologies and internal features. Radio emission was analyzed through high resolution radiocontinuum images obtained with the Very Large Array (VLA; Socorro, New Mexico, USA). For the present research I have conducted multifrequency radioobservations of W28, W30 and CTB80. Due to the large angular extension of the same, it was necessary to make use of radio mosaicing techniques in order to achieve high resolution images at 1465 MHz. In addition, observations at 328 MHz were performed for W28 and W30. These observations allowed to obtain the best images ever produced for these rcmnants in the radio band, with unprecedented angular resolution and with excellent sensitivity. Based on these data in two frequencies, it was possible to investigate the spectral index distribution (α, defined as Sυ α υ-α,where S, is the frequency-dependant flux density) for W28 and W30. Moreover, for W28 and Tycho’s SNR, the distribution and kinematics of the surrounding gas was explored using the λ 21 cm line of neutral hydrogen. The data were acquired with the Parkes (Australia) radiotelescope and the VLA, respectively. In the case of Tycho’s SNR, a dense clump was found in positional coincidence with the region where this remnant shows the lowest expansion velocity. The clump appears as partially embedded inside the shock front. The study of the environs of W28, has allowed to detect gas concentrations that may account for the complex morphology this remnant exhibits at the frequencies of 328 and 1465 MHz. Besides, I have investigated the fluid-dynamic instabilities likely to develop during the expansion of SNR (such as Rayleigh-Taylor and Kelvin Helmholtz instabilities, for instance), with the aim of explaining certain structures that appear in the radio images of these remnants. Analytical and numerical models were compared with observations of W50 and Tycho’s SNR. Toward the NE of Tycho’s SNR, a quite periodic structure is observed that is interpreted as the developement of Rayleigh-Taylor instabilities including viscous and magnetic effects. The W50-SS 433 system shows a helicoidal formation in its eastern lobe, which can be explained as arising in the Kelvin Helmholtz instability in cylindrical symmetry, taking relativistic jets into account.Fil:Velázquez, Pablo Fabián. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina