Astronomowie po raz pierwszy zobaczyli w czasie rzeczywistym, jak nowe wybuchają. Zderzające się wypływy tworzą fale uderzeniowe napędzające promieniowanie gamma. Obserwacje te zmieniają rozumienie nowych jako naturalnych laboratoriów fizyki wspólnej otoczki i przyspieszania cząstek.
Eksplozje gwiazd widziane niemal na żywo
Opisane w Nature Astronomy badania dotyczą dwóch nowych z 2021 roku: bardzo szybkiej V1674 Herculis oraz skrajnie powolnej V1405 Cassiopeiae. Zespół kierowany przez Eliasa Aydiego wykorzystał teleskopy CHARA Array w Kalifornii, aby uzyskać obrazy tych wybuchów już po kilku dniach (V1674 Her) i w kluczowym momencie wzrostu jasności (V1405 Cas).
Zamiast pojedynczej, symetrycznej kuli ognia zobaczono przecinające się strumienie materii, zmieniający się w czasie kształt otoczki oraz – w przypadku powolnej nowej – zaskakująco długie opóźnienie w wyrzuceniu większości zgromadzonego gazu. Obrazy te łączą geometrię wyrzutu z falami uderzeniowymi odpowiedzialnymi za promieniowanie gamma, wykrywane przez teleskop Fermi, i pomagają wyjaśnić, dlaczego nowe są wydajnymi akceleratorami cząstek.
Jak powstaje nowa – i skąd biorą się fale uderzeniowe
Klasyczna nowa to gwałtowny epizod w życiu ciasnego układu podwójnego. Biały karzeł wyrywa gaz z towarzysza; narastająca wodorowa otoczka zapala się termojądrowo, co powoduje jej rozdmuchanie i wyrzut z prędkością rzędu tysięcy kilometrów na sekundę.
Dawniej wyobrażano to sobie jako pojedynczy, gwałtowny wyrzut. Wykrycie promieniowania gamma z ponad dwudziestu nowych pokazało jednak, że we wnętrzu tych układów powstają silne fale uderzeniowe, a materia jest wyrzucana wieloetapowo. Nowe obserwacje CHARA potwierdzają ten obraz: fale uderzeniowe rodzą się tam, gdzie szybsze porcje gazu doganiają wolniejsze, wyrzucone wcześniej i w innych kierunkach.
Dwie nowe, dwa skrajne przypadki
Nowa V1674 Herculis należy do najszybciej ewoluujących znanych obiektów tego typu: od odkrycia do maksimum jasności minęło mniej niż 16 godzin, a spadek o dwie wielkości gwiazdowe nastąpił w około dobę. Już po 2–3 dniach obrazy z CHARA pokazały dwie wyraźne struktury: centralny, wydłużony obłok oraz otaczającą go, szybciej rosnącą strukturę w postaci pierścienia lub dwóch przeciwległych „czap” materii, ustawionych niemal prostopadle do obłoku centralnego.
Taki obraz pasuje do scenariusza dwóch wypływów: wolniejszego, związanego z ruchem orbitalnym układu, oraz szybszego, niemal biegunowego wiatru napędzanego promieniowaniem z powierzchni białego karła. W tym samym czasie Fermi-LAT rejestrował już intensywne promieniowanie gamma – co wskazuje, że fale uderzeniowe powstają właśnie na styku tych dwóch wypływów.
Zupełnie inny przypadek stanowi V1405 Cassiopeiae – nowa, która potrzebowała ponad 50 dni, by osiągnąć maksimum, i pozostawała jasna przez ponad 200 dni. Widma w tym okresie pokazywały tzw. zatrzymanie przed maksimum, z dość płytkimi pochłanianiami o prędkościach malejących z około 1500 do 700 km/s, co sugerowało raczej rozrzedzony, długotrwały wiatr niż gwałtowny wyrzut całej otoczki.
Trzy epoki obserwacji CHARA (53, 55 i 67 dni po wybuchu) były kluczowe. W trakcie dwóch pierwszych obraz zdominowany był przez dość zwarty, wydłużony obszar emisji o rozmiarze porównywalnym z orbitą Ziemi; ponad 95% światła pochodziło z tego pseudoolbrzyma, a ewentualna większa otoczka była bardzo słaba. Gdyby główna otoczka została wyrzucona impulsowo na początku, po 53 dniach powinna rozciągać się na dziesiątki jednostek astronomicznych – a tego nie widać.
Wniosek jest jasny: zasadnicza część otoczki przez ponad 50 dni wciąż znajdowała się wokół układu. Dopiero między drugą a trzecią epoką doszło do gwałtownej zmiany – centralne źródło osłabło, a znaczna część emisji pochodziła z rozległej struktury, którą interferometr rozróżniał tylko częściowo. W tym samym czasie pojawił się szybki, szeroki składnik w liniach widmowych, Fermi-LAT wykrył promieniowanie gamma, a satelita Swift zarejestrował twarde promieniowanie rentgenowskie. Wszystko to wskazuje na opóźniony wyrzut głównej masy otoczki i zderzenia nowo wyrzuconej materii z wolniejszym gazem otaczającym układ.
W kolejnych miesiącach V1405 Cas wykazywała serię wtórnych pojaśnień; towarzyszące im w widmach coraz szybsze składniki absorpcyjne sugerują kolejne epizody wyrzutu i dalsze zderzenia wypływów.
Co nam to mówi o ewolucji gwiazd
Szybka V1674 Her i powolna V1405 Cas leżą na przeciwległych biegunach schematu ewolucji nowych, ale obie wpisują się w nowy obraz tych wybuchów jako miniaturowych układów ze wspólną otoczką, w których energia orbitalna gwiazd i promieniowanie białego karła wspólnie napędzają utratę masy.
W V1405 Cas procesy typowe dla fazy wspólnej otoczki – kluczowe m.in. dla powstawania supernowych typu Ia – można śledzić w skali dni i tygodni, a nie milionów lat. Z kolei V1674 Her pokazuje, jak zderzenia wypływów o różnych prędkościach i kierunkach prowadzą do szczególnie efektywnej produkcji fal uderzeniowych i promieniowania gamma.
Planowane modernizacje CHARA Array mają umożliwić jeszcze dokładniejsze mapowanie takich wybuchów, w tym osobne śledzenie gazu zjonizowanego i pyłu. Każda kolejna nowa uchwycona w tak wysokiej rozdzielczości przybliży nas do zrozumienia, jak gwiazdy tracą masę, jak ich wybuchy wzbogacają Galaktykę w pierwiastki i jak z tych procesów rodzą się jeszcze potężniejsze zjawiska, takie jak supernowe w ciasnych układach podwójnych.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Close-Up Images Show How Stars Explode
- Multiple outflows and delayed ejections revealed by early imaging of novae
Źródło: Uniwersytet Georgii
Na ilustracji: Naukowcy z obserwatorium CHARA Array na Uniwersytecie Georgii uchwycili zdjęcia nowej V1674 Herculis – jednej z najszybszych eksplozji gwiazd w historii. Zdjęcia nowej V1674 Herculis wykonano 2,2 dnia (po lewej) i 3,2 dnia (w środku) po eksplozji. Zdjęcia ukazują powstanie dwóch odrębnych, prostopadłych wypływów gazu, zaznaczonych zielonymi strzałkami. Panel po prawej stronie przedstawia artystyczną wizualizację eksplozji. Źródło: Obserwatorium CHARA Array
