Dzięki badaniom międzynarodowego zespołu astronomów odkryto pierwszą w swoim rodzaju eksplodującą gwiazdę, o której sądzono, że istnieje tylko w teorii. Wyniki badań zostały opublikowane w Nature.
W niedalekiej przeszłości, odkrycie supernowej było uważane za rzadkie zdarzenie. Dzisiaj zaawansowane instrumenty pomiarowe i metody analizy umożliwiają wykrycie pięćdziesięciu takich eksplozji dziennie, co zwiększyło prawdopodobieństwo, że naukowcy będą w stanie dostrzec rzadsze rodzaje eksplozji, które do tej pory istniały jedynie jako teoretyczne konstrukcje.
Niedawno międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez badacza Avishaya Gal-Yama z Wydziału Fizyki Cząstek i Astrofizyki Instytutu Weizmanna, odkrył supernową, której nigdy wcześniej nie zaobserwowano. Jest to eksplozja pochodząca od gwiazdy Wolfa-Rayeta, typu wysoko wyewoluowanej gwiazdy, która traci dużą ilość masy w wyniku intensywnych wiatrów gwiazdowych.
Ewolucja gwiazd typu Wolfa-Rayeta
Jądro każdej gwiazdy zasilane jest przez syntezę jądrową, w której jądra lżejszych pierwiastków łączą się ze sobą, tworząc cięższe pierwiastki. W wyniku fuzji czterech jąder wodoru powstaje atom helu, a w wyniku połączenia kilku jąder helu powstaje węgiel, tlen i tak dalej. Ostatnim pierwiastkiem, który w sposób naturalny powstaje w wyniku syntezy jądrowej jest żelazo, będące najbardziej stabilnym jądrem atomowym. W normalnych warunkach energia wytwarzana w jądrze gwiazdy utrzymuje bardzo wysoką temperaturę, która powoduje rozszerzanie się jej materii gazowej, co pozwala zachować równowagę z siłą grawitacji, przyciągającą masę gwiazdy do jej centrum. Gdy gwieździe zabraknie pierwiastków do stopienia i przestanie wytwarzać energię, równowaga ta zostanie zakłócona, co doprowadzi albo do powstania czarnej dziury, która rozerwie serce gwiazdy, powodując jej zapadnięcie się w sobie, albo do eksplozji gwiazdy, która uwolni do Wszechświata ciężkie pierwiastki, stopione podczas ewolucji.
Długość życia masywnych gwiazd jest uważana za stosunkowo krótką, najwyżej kilka milionów lat. Dla porównania, Słońce ma czas życia około 10 miliardów lat. Zachodzące w jądrze masywnych gwiazd procesy syntezy jądrowej prowadzą do ich rozwarstwiania, w którym cięższe pierwiastki skupiają się w jądrze, a lżejsze tworzą stopniowo warstwy zewnętrzne.
Gwiazdy W-R to szczególnie masywne gwiazdy, którym brakuje jednej lub więcej zewnętrznych warstw składających się z lżejszych pierwiastków. W ten sposób, zamiast wodoru – najlżejszego pierwiastka – powierzchnia gwiazdy charakteryzuje się obecnością helu, a nawet węgla i cięższych pierwiastków. Jednym z możliwych wyjaśnień tego zjawiska jest to, że silne wiatry wiejące ze względu na wysokie ciśnienie w otoczce gwiazdy, rozpraszają jej najbardziej zewnętrzną warstwę, powodując, że gwiazda traci jedną warstwę po drugiej w ciągu kilkuset tysięcy lat.
Pierwsza tego typu eksplodująca gwiazda
Pomimo stosunkowo krótkiego czasu życia i stanu postępującego rozpadu, analiza wciąż rosnącej liczby odkryć supernowych doprowadziła do hipotezy, że gwiazdy W-R po prostu nie wybuchają – one tylko spokojnie zapadają się w czarne dziury – w przeciwnym razie bylibyśmy w stanie zaobserwować już jedną z nich. Hipoteza ta została jednak zburzona dzięki ostatniemu odkryciu.
Analiza spektroskopowa światła emitowanego przez wybuch doprowadziła do odkrycia sygnatur widmowych, które są związane z konkretnymi pierwiastkami. W ten sposób naukowcy byli w stanie wykazać, że eksplozja zawierała atomy węgla, tlenu i neonu, przy czym ten ostatni pierwiastek nie został jeszcze zaobserwowany w ten sposób w żadnej supernowej do tej pory. Co więcej, badacze ustalili, że materia emitująca promieniowanie kosmiczne sama w sobie nie uczestniczyła w wybuchu, lecz pochodziła z przestrzeni otaczającej niestabilną gwiazdę. To z kolei wzmocniło ich hipotezę na korzyść silnych wiatrów, które brały udział w obdzieraniu gwiazdy z jej zewnętrznej otoczki.
Ponieważ obserwacja ta jest pierwszą tego typu, Gal-Yam stwierdza, że może być zbyt wcześnie, aby jednoznacznie określić los wszystkich takich gwiazd. Na tym etapie nie możemy powiedzieć, czy wszystkie gwiazdy Wolfa-Rayeta kończą swoje życie z hukiem, czy nie. Być może niektóre z nich zapadają się po cichu w czarną dziurę – mówi.
Naukowcy szacują, że masa, która rozproszyła się podczas eksplozji, jest prawdopodobnie równa masie Słońca lub nieco mniejszej gwiazdy; gwiazda, która eksplodowała była znacznie cięższa – miała masę co najmniej dziesięć razy większą niż Słońce, więc naukowcy zastanawiają się, gdzie trafiła jej większość.
Gal-Yam sugeruje scenariusz pośredni, w którym oba możliwe losy spełniają się w tym samym czasie: po wyczerpaniu się syntezy jądrowej w jądrze gwiazdy, następuje eksplozja, która wyrzuca część masy w przestrzeń kosmiczną, podczas gdy pozostała masa zapada się sama w siebie, tworząc czarną dziurę. Jedno jest pewne. Nie jest to „cichy” kolaps, o którym często mówiono w przeszłości – mówi Gal-Yam.
W badaniu wykorzystano obserwacje wykonane za pomocą różnych teleskopów, w tym Gran Telescopio Canarias (GTC lub Grantecan),znajdujący się w Obserwatorium Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma). Warto wspomnieć, że od czasu, gdy po raz pierwszy dokonano odkrycia, zaobserwowano inną podobną eksplozję gwiazdy Wolfa-Rayeta, co sugeruje, że zjawisko to rzeczywiście nie jest pojedynczym przypadkiem – wyjaśnia Antonio Cabrera Lavers, szef operacji naukowych w Grantecan i badacz stowarzyszonego z IAC, który brał udział w badaniu.
David García Álvarez, współautor pracy i astronom Grantecan związany z IAC, uważa, że: Możliwe jest, że im lepsze staną się nasze instrumenty detekcyjne i pomiarowe, tym bardziej ten typ eksplozji – dziś uważany za rzadki i egzotyczny – stanie się powszechnym widokiem.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Astronomers discover first supernova explosion of a Wolf-Rayet star
- A WC/WO star exploding within an expanding carbon–oxygen–neon nebula
Źródło: IAC
Na ilustracji: Gwiazda Wolfa-Rayeta i otaczająca ją mgławica uchwycone przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a. Źródło: NASA/ESA Hubble Space Telescope.
