Nowe odkrycia potwierdzają istnienie gorących gwiazd helowych, od dawna uważanych za serca ubogich w wodór supernowych oraz fuzji gwiazd neutronowych.
Astronomowie z Uniwersytetu w Toronto odkryli populację masywnych gwiazd, które zostały pozbawione wodorowych otoczek przez ich towarzyszy w układach podwójnych. Odkrycia te, których wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie „Science” 14 grudnia 2023 roku, dostarczają nowej wiedzy o gorących gwiazdach helowych. Gwiazdy te uważane są za potencjalne źródło ubogich w wodór supernowych, które powstają w wyniku zapadnięcia się jądra masywnej gwiazdy oraz łączących się gwiazd neutronowych.
Przez ponad dekadę naukowcy teoretyzowali, że około jedna na trzy masywne gwiazdy w układach podwójnych jest pozbawiona wodorowej otoczki. Jednak do tej pory zidentyfikowano tylko jednego potencjalnego kandydata.
To była duża, rażąca luka w wiedzy – powiedziała współautorka badania, Maria Drout z Uniwersytetu w Toronto. Jeżeli okazałoby się, że gwiazdy te są rzadkie, to całe nasze teoretyczne ramy dla wszystkich tych różnych zjawisk byłyby błędne, co miałoby wpływ na rozumienie supernowych, fal grawitacyjnych i światła z odległych galaktyk – powiedziała Drorut. To odkrycie pokazuje, że te gwiazdy naprawdę istnieją.
W przyszłości będziemy mogli przeprowadzić znacznie bardziej szczegółowe badania fizyczne tych gwiazd – powiedziała Drout. Na przykład: przewidywania dotyczące liczby fuzji gwiazd neutronowych, które powinniśmy zaobserwować, zależą od właściwości tych gwiazd, takich jak ilość materii uwalnianej z nich w postaci wiatrów gwiazdowych. Teraz po raz pierwszy będziemy w stanie to zmierzyć, podczas gdy wcześniej jedynie dokonywano ekstrapolacji.
Układy podwójne z gwiazdą pozbawioną otoczki wodorowej były wcześniej przywoływane w celu wyjaśnienia, dlaczego jedna trzecia supernowych, powstałych w wyniku zapadnięcia się jądra masywnej gwiazdy, zawiera znacznie mniej wodoru niż typowa eksplozja czerwonego nadolbrzyma. Drout i jej współpracownicy sugerują, że te nowoodkryte gwiazdy ostatecznie eksplodują jako supernowe ubogie w wodór. Uważa się również, że takie układy gwiazdowe są niezbędne do tworzenia fuzji gwiazd neutronowych, takich jak te, które emitują fale grawitacyjne wykryte z Ziemi dzięki eksperymentowi LIGO.
Naukowcy uważają, że kilka obiektów w ich obecnej próbie to gwiazdy pozbawione otoczki, które mają towarzyszy w postaci gwiazd neutronowych lub czarnych dziur. Obiekty te znajdują się na etapie bezpośrednio poprzedzającym przekształcenie się w podwójne gwiazdy neutronowe lub układy gwiazd neutronowych i czarnych dziur, które mogą ostatecznie się połączyć.
Wiele gwiazd tańczy kosmiczny taniec z partnerką, krążąc jedna wokół drugiej w układzie podwójnym. Nie są samotnymi olbrzymami, ale częścią dynamicznych duetów wchodzących w interakcje i wpływających na siebie nawzajem przez całe życie – powiedziała Bethany Ludwig z Uniwersytetu w Toronto, współautorka pracy. Nasza praca rzuca światło na te fascynujące relacje, ujawniając Wszechświat, który jest znacznie bardziej połączony i aktywny, niż wcześniej sobie wyobrażaliśmy.
Gdy gwiazdy eksplodują i rozszerzają się, stając się czerwonymi olbrzymami, wodór na zewnętrznych krawędziach jednej z nich może zostać usunięty przez przyciąganie grawitacyjne jej towarzysza, pozostawiając odsłonięte bardzo gorące jądro. Ten proces może trwać dziesiątki tysięcy, a nawet setki tysięcy lat.
Gwiazdy pozbawione otoczki są trudne do znalezienia, ponieważ większość emitowanego przez nie światła znajduje się poza spektrum światła widzialnego i może być zasłonięta przez pył we Wszechświecie lub przyćmiona przez gwiazdy towarzyszące. W 2016 roku Drout i jej zespół rozpoczęli poszukiwania. Po dokładnym zbadaniu supernowych pozbawionych wodoru Drout wyruszyła na poszukiwanie gwiazd pozbawionych otoczki, które uznawane były za ich serce. Podczas konferencji poznała współautorkę pracy, Ylvę Götberg, obecnie adiunkta w Institute of Science and Technology Austria (ISTA), która niedawno stworzyła nowe modele teoretyczne dotyczące wyglądu tych gwiazd.
Drout, Götberg i ich współpracownicy opracowali nowy przegląd mający na celu zbadanie ultrafioletowej części widma, w której niezwykle gorące gwiazdy emitują większość swojego światła. Choć niewidoczne nieuzbrojonym okiem, światło UV można wykryć za pomocą specjalistycznych instrumentów i teleskopów.
Korzystając z danych z teleskopu Swift, naukowcy zebrali informacje dotyczące jasności milionów gwiazd w Wielkim i Małym Obłoku Magellana, dwóch najbliższych nam galaktyk. Ludwig stworzyła pierwszy obszerny katalog UV Obłoków Magellana i wykorzystała fotometrię UV do wykrycia układów charakteryzujących się nietypową emisją UV, co wskazywało na możliwą obecność gwiazd pozbawionych otoczki.
Badacze przeprowadzili pilotażowe badanie 25 obiektów, podczas którego uzyskali spektroskopię optyczną za pomocą Teleskopu Magellana w obserwatorium Las Campanas (należące do Carnegie Institution of Washington, położone w chilijskich Andach w pobliżu miasta La Serena) w latach 2018–2022. Wykorzystali te obserwacje, aby potwierdzić, że gwiazdy były gorące, małe, ubogie w wodór i znajdowały się w układach podwójnych – wszystko było zgodne z przewidywaniami modelu.
Obecnie naukowcy kontynuują badania gwiazd zidentyfikowanych w tym artykule i poszerzają swoje poszukiwania, aby znaleźć ich więcej. Planują przeszukiwać zarówno pobliskie galaktyki, jak i Drogę Mleczną, korzystając z programów na Kosmicznym Teleskopie Hubble’a, Teleskopie Chandra, Teleskopie Magellana i Teleskopie Angielsko-Australijskim. W ramach tej publikacji wszystkie modele teoretyczne i dane wykorzystane do identyfikacji tych gwiazd zostały udostępnione innym naukowcom.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Astronomers discover first population of binary stripped stars
- An observed population of intermediate-mass helium stars that have been stripped in binaries
Źródło: Uniwersytet Toronto
Na ilustracji: Wizja artystyczna masywnej gwiazdy zdzierającej powłokę wodorową ze swojego towarzysza w układzie podwójnym, która pozostawia odsłonięte gorące, bogate w hel jądro. Źródło: Navid Marvi, dzięki uprzejmości Carnegie Institution for Science
