Przejdź do treści

Pochodzenie gwiezdnych gejzerów odkryte w symulacjach 3D

Jak sugerują symulacje, potężne erupcje jednych z największych, najjaśniejszych gwiazd we Wszechświecie są rezultatem skupisk materii bogatej w hel, które są wystrzeliwane w przestrzeń kosmiczną przez intensywne promieniowanie gwiazdy.

Astronomowie w końcu znaleźli wytłumaczenie gwałtownych zmian nastroju niektórych największych, najjaśniejszych i najrzadszych gwiazd we Wszechświecie.

Jasne, błękitne gwiazdy zmienne wybuchają okresowo w oszałamiającej eksplozji zwanej „gwiezdnymi gejzerami”. Te potężne erupcje wyrzucają w przestrzeń kosmiczną w ciągu kilku dni ilość materii mieszczącą się w przeciętnych rozmiarów planecie. Powód tej niestabilności od dziesięcioleci pozostawał zagadką.

Obecnie nowe symulacje 3D przeprowadzone przez zespół astrofizyków sugerują, że burzliwy ruch w zewnętrznych warstwach masywnej gwiazdy tworzy gęste skupiska materii gwiazdowej. Skupiska te przyjmują intensywne promieniowanie gwiazdy niczym żagle słoneczne, co prowadzi do wyrzucania materii w kosmos. Po wyrzuceniu wystarczającej ilości masy, gwiazda uspokaja się do momentu ponownego odtworzenia zewnętrznej warstwy, kiedy to cykl rozpoczyna się od nowa. 

Rozpoznanie przyczyn gwiezdnych gejzerów jest znaczące, ponieważ prawdopodobnie wszystkie ekstremalnie masywne gwiazdy spędzają większość swojego życia jako jasne, błękitne gwiazdy zmienne.

Odkrycie to stanowi ważny krok na drodze do zrozumienia życia i śmierci największych gwiazd we Wszechświecie. Owe masywne gwiazdy, pomimo ich niewielkiej liczby, w dużej mierze determinują ewolucję galaktyk poprzez swoje wiatry gwiazdowe i eksplozje w postaci supernowych. A gdy umierają, pozostawiają po sobie czarne dziury.

Jasne, błękitne zmienne (LBV) są niezwykle rzadkie, a tylko kilkanaście z nich znajduje się w Drodze Mlecznej. Te olbrzymie gwiazdy mogą przekroczyć 100-krotność masy Słońca, co zbliża je do teoretycznej granicy maksymalnej masy gwiazdy. LBV emitują wyjątkowo dużo promieniowania: najjaśniejsze z nich świecą ponad milion razy jaśniej, niż Słońce.

Przepychanki między ekstremalną grawitacją wciągającą materię oraz intensywnym promieniowaniem, które chce ją wypchnąć są odpowiedzialne za rozbłyski LBV. Absorpcja fotonu przez atom wymaga, aby wokół jądra atomowego krążyły elektrony. W najgłębszych, najgorętszych warstwach gwiazdy materia zachowuje się jak plazma, w której elektrony nie są związane z atomami. W chłodniejszych warstwach zewnętrznych, elektrony ponownie łączą się z atomami i mogą pochłaniać fotony promieniowania.

Proponowane wcześniej wyjaśnienia rozbłysków przewidywały, że pierwiastki takie jak hel w zewnętrznych warstwach gwiazdy mogą wchłonąć wystarczającą ilość fotonów, aby pokonać grawitację i odlecieć w przestrzeń kosmiczną w trakcie rozbłysków. Ale proste, jednowymiarowe obliczenia nie wspierały tej hipotezy: zewnętrzne warstwy okazywały się niewystarczająco gęste, aby pochłonąć wystarczająco dużo promieniowania do pokonania grawitacji.

Te proste obliczenia nie oddawały pełnego obrazu złożonej dynamiki wewnętrznej kolosalnej gwiazdy. Matteo Cantiello z Center for Computational Astrophysics we Flatiron Institute w Nowym Jorku oraz Yan-Fei Jiang z Instytutu Fizyki Teoretycznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara wraz ze współpracownikami, przyjęli bardziej realistyczne podejście. Naukowcy stworzyli szczegółową, trójwymiarową symulację komputerową tego, jak materia, ciepło i promieniowanie przepływają i oddziałują w potężnych gwiazdach. Obliczenia wymagały ponad 60 mln godzin pracy na zwykłym procesorze komputerowym.

W symulacji średnia gęstość zewnętrznych warstw była zbyt niska, aby materia mogła uciec w przestrzeń kosmiczną – tak, jak to przewidywały obliczenia jednowymiarowe. Jednak nowe obliczenia wykazały, że konwekcja i mieszanie w warstwach zewnętrznych spowodowały, że w niektórych regionach gęstość była wyższa, niż w innych, a znajdujące się w nich nieprzejrzyste zagęszczenia przechwytywały wystarczająco dużo promieniowania, aby uciec w kosmos wskutek ciśnienia wywieranego przez gwiazdy. Takie erupcje trwają od kilku dni do kilku tygodni, w czasie których gwiazda się burzy, a jej jasność zmienia. Zespół szacuje, że takie gwiazdy mogą wyrzucać około 10 mld mln ton metrycznych materii rocznie, co stanowi dwie masy Ziemi.

Naukowcy planują poprawić dokładność swoich symulacji, włączając do nich inne efekty, takie jak rotacja gwiazdy, która może sprawić, że materia będzie łatwiej wyrzucana w kosmos w pobliżu szybko rotującego równika gwiazdy, niż bliżej niemal nieruchomych biegunów.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Elusive Origin of Stellar Geysers Revealed by 3-D Simulations

Źródło: Simons Foundation

Na ilustracji: Gwiezdny gejzer. Migawka z symulacji burzącego się gazu, który pokrywa gwiazdę 80 razy masywniejszą od Słońca. Źródło: Joseph Insley/Argonne Leadership Computing Facility