Skąd wziął się właściwie dobrze znany nam na Ziemi węgiel? Białe karły pomagają w wyjaśnianiu tej zagadki. Najnowsze badania tych gwiazd zdają się potwierdzać ich rolę w charakterze ważnego źródła węgla – pierwiastka kluczowego dla każdego życia w Drodze Mlecznej i w innych galaktykach.
Około 90% wszystkich gwiazd kończy swoje życie jako białe karły, czyli bardzo gęste gwiezdne pozostałości, które stopniowo schładzają się i przygasają przez kolejne miliardy lat. Jednak te ginące gwiazdy pozostawiają ważną spuściznę, rozprzestrzeniając swe popioły w otaczającej je przestrzeni galaktycznej. Za mechanizm ten odpowiadać mogą wiatry gwiazdowe wzbogacone w cięższe od wodoru i helu pierwiastki chemiczne, w tym węgiel, w tym przypadku wcześniej zsyntetyzowany w głębokim wnętrzu gwiazdy – jeszcze przed jej śmiercią.
A zatem tak naprawdę – choć z początku może się to zdawać szokujące – każdy atom węgla obecny dziś we Wszechświecie został stworzony we wnętrzach gwiazd poprzez połączenie się trzech jąder helu. Astrofizycy wciąż debatują jednak nad tym, które rodzaje gwiazd są głównym źródłem węgla w naszej Galaktyce, Drodze Mlecznej. Niektóre badania wskazują tu raczej na gwiazdy o niskich masach, których otoczki gwiazdowe rozwiały się już pod wpływem wiatrów gwiazdowych i stały się właśnie białymi karłami, podczas gdy inne faworyzują masywne gwiazdy, które ostatecznie eksplodowały jako supernowe.
Nowy artykuł opublikowany w „Nature Astronomy” przedstawia odkrycie i analizę populacji białych karłów należących do gromad otwartych gwiazd w Drodze Mlecznej. Odkrycie to pomaga rzucić nowe światło na pochodzenie węgla w naszej Galaktyce. Gromady otwarte to grupy do kilku tysięcy gwiazd, utworzonych z tego samego olbrzymiego obłoku molekularnego i będących mniej więcej w tym samym wieku, trzymających się w przestrzeni kosmicznej razem dzięki wzajemnemu przyciąganiu grawitacyjnemu. Badania tu opisywane zostały oparte na obserwacjach astronomicznych przeprowadzonych w 2018 roku w Obserwatorium W.M. Kecka na Hawajach, z udziałem m.in. Enrico Ramireza-Ruiza, profesora astronomii i astrofizyki na UC Santa Cruz w Kalifornii.
Na bazie analizy zaobserwowanych widm z Kecka można było zmierzyć masy białych karłów. Korzystając z teorii ewolucji gwiazd, byliśmy wówczas w stanie prześledzić ją wstecz, aż do ich gwiazd progenitorowych, i określić masy, jakie miały one zaraz po powstaniu – wyjaśnia Ramirez-Ruiz.
Zależność między początkową masą gwiazdy a jej masą końcową już na etapie ewolucji białego karła znana jest jako relacja masy początkowej do końcowej. To fundamentalne narzędzie diagnostyczne w astrofizyce, które zbiera razem informacje z całego cyklu życia gwiazd, łącząc ich narodziny ze śmiercią. Ogólnie rzecz biorąc chodzi o to, że im bardziej masywna jest gwiazda w chwili narodzin, tym bardziej masywny powinien być pozostały po niej biały karzeł. Trend ten ma wyraźne odzwierciedlenie zarówno w obserwacjach, jak i w teorii.
Jednak analiza nowo odkrytych białych karłów występujących w starych gromadach otwartych dała zaskakujący wynik: masy tych karłów były znacznie większe niż oczekiwano, powodując „załamanie” się znanej relacji między masą początkową i końcową dla gwiazd o początkowych masach z pewnego zakresu.
W naszych badaniach interpretujemy to załamanie się relacji jako sygnaturę procesów syntezy węgla zachodzących w gwiazdach o niewielkich masach w Drodze Mlecznej – podsumowuje główna autorka pracy, Paola Marigo z Uniwersytetu w Padwie (Włochy).
W ostatnich fazach swego życia gwiazdy około dwukrotnie masywniejsze niż nasze Słońce wytwarzały nowe atomy węgla w swoich gorących wnętrzach, transportowały je na powierzchnię, a na koniec rozprzestrzeniały je w ośrodku międzygwiezdnym poprzez wiatry gwiazdowe. Szczegółowe modele ewolucji gwiazd przeanalizowane przez zespół wskazują na to, że takie rozprzestrzenianie się bogatego w węgiel płaszcza zewnętrznego gwiazd zachodziło wystarczająco wolno, aby wciąż umożliwić jądrom tych gwiazd, czyli przyszłym białym karłom, znaczny wzrost ich masy.
Analizując relacje masy początkowej do końcowej w pobliżu obserwowanego załamania dla znanego stosunku tych mas, naukowcy doszli do wniosku, że gwiazdy większe niż dwie masy Słońca również w istotny sposób przyczyniły się do wzbogacenia materii galaktycznej w węgiel, podczas gdy gwiazdy o masie mniejszej niż 1,5 masy Słońca – już nie. Innymi słowy, 1,5 masy Słońca reprezentuje minimalną masę, przy której gwiazda może rozrzucać wokół siebie „popioły” wzbogacone w węgiel już po swojej śmierci.
Odkrycia takie nakładają też konkretne ograniczenia na to, jak i kiedy węgiel, pierwiastek niezbędny do życia na Ziemi, został wyprodukowany przez gwiazdy naszej Galaktyki oraz ostatecznie uwięziony w pierwotnym surowcu, z którego Słońce i jego układ planetarny powstały około 4,6 miliarda lat temu.
Łącząc rozmaite teorie dotyczące kosmologii i ewolucji gwiezdnej, naukowcy doszli ponadto do wniosku, że badane przez nich jasne i bogate w węgiel gwiazdy, bliskie śmierci, ale i fizycznie podobne do progenitorów białych karłów, obecnie przyczyniają się do emisji ogromnych ilości światła z bardzo odległych galaktyk. To światło, niosące ze sobą również ślad nowo wyprodukowanego węgla, jest dziś masowo rejestrowane przez największe teleskopy w celu zbadania ewolucji różnych struktur kosmicznych – ale wiarygodna interpretacja tego światła zależy od zrozumienia procesów syntezy węgla w gwiazdach.
Czytaj więcej:
- Cały artykuł
- Białe karły - Portal Uranii
- Astronarium nr 90 o pochodzeniu pierwiastków
- Oryginalna publikacja naukowa: Carbon star formation as seen through the non-monotonic initial–final mass relation, P. Marigo et al. 2020, Nature Astronomy
Źródło: USCS.edu
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu: NGC 7789, znana również jako Róża Caroline, jest starą gromadą otwartą gwiazd położoną w Drodze Mlecznej, w odległości około 8 000 lat świetlnych, w gwiazdozbiorze Kasjopei. Jest w niej kilka białych karłów o niezwykle dużej masie, które zostały przeanalizowane w omawianym badaniu. Źródło: NASA.
