Przejdź do treści

Dlaczego gwiazda masywna znalazła się aż 3600 lat świetlnych nad płaszczyzną Drogi Mlecznej?

Na ilustracji: mapka z położeniem na niebie niepozornej gwiazdy HD 93521 o jasności obserwowanej ~7 mag, która najprawdopodobniej powstała w wyniku koalescencji, czyli zlania się w jeden obiekt, dwóch średniomasywnych gwiazd ciągu głównego. HD 93521 jest olbrzymem typu widmowego O9.5 IIInn i widzimy ją pod kątem ~62° (~3600 l.św.) nad płaszczyzną Drogi Mlecznej. Źródło: Stellarium

Czasami gwiazdy masywne spotyka się w miejscach, w których nie powinno ich być, np. HD 93521 daleko (3600 l.św.) od płaszczyzny Drogi Mlecznej – astronomowie wyjaśnili dlaczego tak się stało. To wyjaśnienie przypomina nam, że czasami ewolucja gwiazd jest bardziej skomplikowana niż mogłoby się wydawać.

Generalnie gwiazdy, w szczególności gwiazdy masywne, rodzą się w Drodze Mlecznej w pobliżu centralnego zgrubienia lub w płaszczyźnie. W zewnętrznych obszarach Galaktyki materia gazowa nie jest wystarczająco gęsta, aby w wyniku kondensacji nastąpiło powstanie gwiazdy.

Gwiazdy rodzą się w pobliżu płaszczyzny Drogi Mlecznej i czasami przemieszczają się daleko poniżej lub powyżej tej płaszczyzny. Jednak kilka z nich stanowi zagadkę, ponieważ przeniosły się z prawdopodobnego miejsca narodzin dalej niż to jest możliwe, uwzględniając ich krótki czas życia.

W publikacji z 31 stycznia 2022 roku w The Astronomical Journal, której głównym autorem jest astronom Douglas Gies z Georgia State University (USA), na przykładzie gwiazdy-olbrzyma HD 93521 została wyjaśniony powód wielkiej niezgodności pomiędzy młodym wiekiem gwiazdy, a czasem podróży z miejsca pochodzenia.

Im gwiazda jest masywniejsza, tym jaśniej świeci i tym szybciej „konsumuje” paliwo jądrowe. Czas życia gwiazdy jest niemal odwrotnie proporcjonalny do sześcianu jej masy (t* ~ m*-3). Dlatego gwiazda o masie 10 mas Słońca (10 Mʘ) żyje 1000 razy krócej niż gwiazda masie Słońca.

HD 93521 jest niepozorną gwiazdą (jasność obserwowana ~7 mag.) w gwiazdozbiorze Małego Lwa. Dokładniejsze obserwacje pokazały, że jest to bardzo jasna, gorąca (Teff = 30500 K) gwiazda o jasności absolutnej -4,5 mag (~40 tys. Lʘ) i klasyfikacji widmowej: O9.5 IIInn (O9.5 – typ widmowy, III – olbrzym, „nn” – bardzo szerokie linie absorpcyjne). Analiza spektralna ujawniła w widmie bardzo silne linie helu – co wskazuje na wzbogacenie helu spowodowane wymieszaniem się warstw samej gwiazdy lub innymi procesami.

Symulacja obrazu tarczy masywnej gwiazdy HD 93521 w barwie żółtej (λ 5450A), obserwowanej prostopadle do osi rotacji. Gwiazda tak szybko rotuje (435 km/sek w płaszczyźnie równika), że widać jej ekstremalne spłaszczenie (promień biegunowy/równikowy: 6,1/7,4 Rʘ). Z tego powodu widać również "gołym okiem", że obszary biegunowe są gorętsze i jaśniejsze niż obszar równikowy. Jest to tzw. efekt von Zeipela. Źródło: Douglas R. Gies et al 2022 AJ 163 100, DOI: 10.3847/1538-3881/ac43be

Symulacja obrazu tarczy masywnej gwiazdy HD 93521 w barwie żółtej (λ 5450A), obserwowanej prostopadle do osi rotacji. Gwiazda tak szybko rotuje (435 km/sek w płaszczyźnie równika), że widać jej ekstremalne spłaszczenie (promień biegunowy/równikowy: 6,1 / 7,4 Rʘ). Z tego powodu widać również "gołym okiem", że obszary biegunowe są gorętsze i jaśniejsze niż obszar równikowy. Jest to tzw. efekt von Zeipela. Źródło: Douglas R. Gies et al 2022 AJ 163 100, DOI: 10.3847/1538-3881/ac43be

HD 93521 posiada masę aż 17 razy większą od masy Słońca. Czas życia gwiazdy o takiej masie wynosi około 20 milionów lat. Jednak na podstawie obserwowanej obfitości helu w widmie oszacowano, że gwiazda liczy około 5 milionów lat z błędem ±2 miliony lat. Dlatego jest to niezwykłe, że gwiazda znajduje się w odległości aż około 3600 l. św. nad płaszczyzną Drogi Mlecznej. Uwzględniając aktualne ruchy własne, HD 93521 musiałaby przemieszczać się około 39 milionów lat (± 3 mln lat), aby znaleźć się w obecnym położeniu - nawet gdyby ta wędrówka rozpoczęła się od razu po narodzinach.

Podpowiadają się następujące trzy prawdopodobne wyjaśnienia:
    (1) gwiazda jest znacznie starsza niż na to wygląda,
    (2) gwiazda w jakiś sposób jednak powstała daleko od płaszczyzny Drogi Mlecznej,
    (3) początkowo gwiazda poruszała się ze znaczną prędkością, ale w jakiś sposób spowolniła.

Brak towarzyszek, które mogłyby wyhamować HD 93521 w znacznym stopniu przemawia na niekorzyść hipotezy (3).

Autorzy omawianej publikacji wyjaśnili niezwykłe cechy HD 93521 jeszcze w inny sposób.  Mianowicie, HD 93521 powstała niedawno w wyniku koalescencji, czyli zlania się dwóch gwiazd w jedną. Jeżeli ta sama masa jest rozłożona pomiędzy dwie lub więcej gwiazd, to synteza termojądrowa zasili w energię gwiazdy przez dłuższy czas niż gdyby ją umieścić w samotnej gwieździe. Gdyby materia, która aktualnie tworzy HD 93521, wcześniej była zawarta w dwóch gwiazdach ciągu głównego o prawie równych masach (np. 8 + 9 Mʘ), to dopiero po około 40 milionach lat osiągnęłyby bieżący skład chemiczny HD 93521.

Już wykonywano symulacje numeryczne koalescencji dwóch gwiazd dających w wyniku gwiazdy podobne do HD 93521 (np. Schneider i inni, 2019), czyli szybko rotującą gwiazdę o masie 17 Mʘ. W symulacji ta gwiazda masywna powstała w wyniku koalescencji gwiazd o masach 8 + 9 Mʘ.

Wkrótce po narodzinach, obie gwiazdy mogły wspólnie rozpocząć przemieszczanie z obszaru w pobliżu płaszczyzny Drogi Mlecznej. Miejsce, skąd rozpoczęła się ta wędrówka, nie jest niespodzianką. Zwykle gwiazdy masywne powstają w gromadach gwiazdowych, z których potężne siły mogą je wyrzucić na zewnątrz. Ten wyrzut gwiazd mógł być spowodowany np. przez „grawitacyjną procę” z jeszcze masywniejszej pary gwiazd lub wskutek wybuchu pobliskiej supernowej.

Zjawisko koalescencji gwiazd nie jest częste. Zdarza się czasami, gdy gwiazdy tworzą bardzo ciasny układ podwójny. Wskazówką, że gwiazda powstała w wyniku zlania się dwóch gwiazd w jedną jest jej szybka rotacja. Moment pędu gwiazd w układzie podwójnym musi się gdzieś podziać i dlatego kumuluje się w szybko rotującej gwieździe, powstałej w wyniku połączenia się mniejszych towarzyszy.

Gwiazda HD 93521 ekstremalnie szybko rotuje – z prędkością na równiku rzutowaną na kierunek do obserwatora = 435 km/sek. Jest to jedna z najszybciej rotujących gwiazd, które zaobserwowano.

Współautor publikacji, student Peter Wysocki poszukuje przykładów, że HD 93521 nie jest jedyna. Ostatnio złożył do publikacji pracę na temat pary masywnych gwiazd, oznaczonych w nomenklaturze gwiazd zmiennych jako IT Librae, które również uciekają z płaszczyzny Drogi Mlecznej. W tym zaćmieniowym układzie podwójnym, będącym w fazie tuż przed koalescencją, jedna gwiazda „kradnie” materię drugiej. Jest to proces odmładzający gwiazdę masywniejszą – co sprawia, że wygląda ona na młodszą niż jest faktycznie. Wkrótce skończy się to powstaniem kolejnej gwiazdy podobnej do HD 93521.

 

Diagram H-R z aktualną pozycją masywnej gwiazdy HD 93521 (M ~17Mʘ). Na tym wykresie można oszacować wiek HD 93521 na około 5 milionów lat poprzez porównanie jej położenia ze ścieżkami ewolucyjnymi gwiazd o innych masach. Linie oznaczone jako „15” lub „20” przedstawiają ścieżki ewolucyjne gwiazd o metaliczności słonecznej, masach początkowych 15/20 Mʘ i początkowych prędkościach rotacji na równiku odpowiednio 431/426 km/sek. Plusiki oznaczają położenie gwiazd na ścieżkach ewolucyjnych w odstępie 1 miliona lat. Symbol diamentu oznacza aktualną pozycję HD 93521 na diagramie H-R z liniami kropkowanymi reprezentującymi błąd wyznaczenia jasności i temperatury powierzchniowej gwiazdy. HD 93521 powstała w wyniku koalescencji dwóch gwiazd o średnich masach początkowych (np. 8+9Mʘ). Źródło: Douglas R. Gies et al 2022 AJ 163 100, DOI: 10.3847/1538-3881/ac43be

Diagram H-R z aktualną pozycją masywnej gwiazdy HD 93521 (M ~17Mʘ). Na tym wykresie można oszacować wiek HD 93521 na około 5 milionów lat poprzez porównanie jej położenia ze ścieżkami ewolucyjnymi gwiazd o innych masach.
Linie oznaczone jako „15” lub „20” przedstawiają ścieżki ewolucyjne gwiazd o metaliczności słonecznej, masach początkowych 15/20 Mʘ i początkowych prędkościach rotacji na równiku odpowiednio 431/426 km/sek. Plusiki oznaczają położenie gwiazd na ścieżkach ewolucyjnych w odstępie 1 miliona lat. Symbol diamentu oznacza aktualną pozycję HD 93521 na diagramie H-R z liniami kropkowanymi reprezentującymi błąd wyznaczenia jasności i temperatury powierzchniowej gwiazdy.
HD 93521 powstała w wyniku koalescencji dwóch gwiazd o średnich masach początkowych (np. 8+9Mʘ).
Źródło: Douglas R. Gies et al 2022 AJ 163 100, DOI: 10.3847/1538-3881/ac43be


Więcej informacji:


Źródło: Georgia State University

Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
 

Na ilustracji: mapka z położeniem na niebie niepozornej gwiazdy HD 93521 o jasności obserwowanej ~7 mag, która najprawdopodobniej powstała w wyniku koalescencji, czyli zlania się w jeden obiekt, dwóch średniomasywnych gwiazd ciągu głównego. HD 93521 jest olbrzymem typu widmowego O9.5 IIInn i widzimy ją pod kątem ~62° (~3600 l.św.) nad płaszczyzną Drogi Mlecznej. Źródło: Stellarium
 

Reklama