Potężne fale pływowe rozbijają się o kolosalną gwiazdę

Pierwsza w swoim rodzaju gwiazda "bijąca w rytmie serca" z pulsującymi zmianami jasności i załamującymi się falami powierzchniowymi stanowi unikalne źródło danych na temat ewolucji masywnych układów podwójnych gwiazd.

Układ gwiezdny zaintrygował badaczy, ponieważ jest to najbardziej widowiskowa „gwiazda pulsująca w rytmie serca” (ang. heartbeat stars), jaką widziano w historii. Nowe modele ujawniły, że na tej gwieździe tytaniczne fale generowane przez pływy wielokrotnie rozbijają się, co zaobserwowano po raz pierwszy w przypadku takiego układu gwiazdowego.

Gwiazdy pulsujące w rytmie serca zazwyczaj znajdują się w bliskich parach gwiazd, które okresowo zmieniają jasność, podobnie jak rytm bijącego serca w aparacie EKG. Te gwiazdy krążą wokół siebie po wydłużonych, owalnych orbitach. Gdy zbliżają się do siebie, grawitacja między gwiazdami generuje pływy, podobnie jak Księżyc wywołuje pływy oceaniczne na Ziemi. Pływy te powodują rozciągnięcie i zniekształcenie samych gwiazd, co prowadzi do zmiany ilości światła, które dociera do nas, gdy ich szerokie lub wąskie strony naprzemiennie są skierowane w stronę Ziemi.

Nowe badania wyjaśniają, dlaczego fluktuacje jasności w jednym z wyjątkowo ekstremalnych układów gwiazd typu „heartbeat” są około 200 razy większe niż w przypadku typowych gwiazd pulsujących w rytmie serca. Przyczyną tego są olbrzymie fale, które przetaczają się przez większą gwiazdę, wywoływane przez zbliżanie się jej mniejszego towarzysza. Badania wykazały, że te fale pływowe osiągają tak ogromne wysokości i prędkości, że załamują się podobnie jak fale oceaniczne, rozbijając się o powierzchnię większej gwiazdy.

Omawiany układ oferuje z kolei bezprecedensowy wgląd w interakcję między masywnymi gwiazdami.

Każde zderzenie wysokich fal pływowych gwiazdy uwalnia wystarczającą ilość energii, aby rozbić całą naszą planetę kilkaset razy – wyjaśnia MacLeod, doktor habilitowany w dziedzinie astrofizyki teoretycznej w Centrum Astrofizyki | Harvard & Smithsonian (CfA) i autor nowego badania opublikowanego w Nature Astronomy, opisującego odkrycia. To są naprawdę duże fale.

Jednak zdaniem profesora Abrahama Avi Loeba, doradcy MacLeoda i dyrektora Instytutu Teorii i Obliczeń w CfA oraz drugiego autora artykułu, te załamujące się fale w gwiazdach są tak piękne, jak te na plażach naszych oceanów.

Gwiazdy pulsujące w rytmie bijącego serca zostały po raz pierwszy zaobserwowane, gdy Kosmiczny Teleskop Keplera, który poszukiwał egzoplanet, wykrył ich charakterystyczne, zazwyczaj delikatne fluktuacje jasności.

Ekstremalna gwiazda pulsująca w rytmie serca nie jest jednak subtelna. Gwiazda większa w tym układzie ma masę prawie 35 razy większą od Słońca, a wraz z mniejszą towarzyszącą jej gwiazdą została oficjalnie oznaczona jako MACHO 80.7443.1718. Ta nazwa nie jest związana z gwiezdną siłą, ale jest wynikiem pierwszego zarejestrowania zmian jasności tego układu przez projekt MACHO z lat 90., który zajmował się poszukiwaniem ciemnej materii w naszej Galaktyce.

Większość gwiazd pulsujących w rytmie bijącego serca różni się jasnością tylko o około 0,1%, jednak MACHO 80.7443.1718 przyciągnęła uwagę astronomów ze względu na swoje niezwykle dramatyczne fluktuacje jasności, które wynoszą aż 20%. Nie znamy żadnej innej gwiazdy, która wykazywałaby tak gwałtowne zmiany jasności – powiedział MacLeod.

Aby rozwiązać tę zagadkę, MacLeod stworzył komputerowy model MACHO 80.7443.1718, który uwzględniał oddziaływanie grawitacyjne między dwiema gwiazdami. Jego model uchwycił sposób, w jaki ta grawitacja generuje olbrzymie fale pływowe w większej gwieździe. Te fale pływowe sięgają do ⅕ promienia tej olbrzymiej gwiazdy, co odpowiada wysokości około 4,3 miliona kilometrów.

Symulacje wykazują, że masywne fale zaczynają pojawiać się jako gładkie i zorganizowane, podobnie jak fale oceaniczne, a następnie zwijają się i rozbijają. Jak plażowicze dobrze zapewne wiedzą, potężnie rozbijające się fale oceaniczne uwalniają morską mgłę i tworzą bąbelki, zostawiając wielki spieniony bałagan tam, gdzie wcześniej była spokojna fala – wyjaśnia MacLeod.

Model MacLeoda pokazuje, że ogromna energia, która uwalnia się podczas rozbijania się fal MACHO 80.7443.1718, ma dwa efekty. Po pierwsze, powoduje coraz szybsze obracanie się powierzchni gwiazdy, a po drugie, wyrzuca gaz gwiazdowy na zewnątrz, tworząc obracającą się i świecącą atmosferę gwiazdową.

Mniej więcej raz w miesiącu obie gwiazdy mijają się, a przez powierzchnię pulsującej gwiazdy przetacza się nowa fala. To wzburzenie spowodowało, że duża gwiazda MACHO 80.7443.1718 wybrzuszyła się na równiku o około 50% więcej niż na biegunach. Z każdą kolejną falą, większa ilość materii jest wyrzucana na zewnątrz, podobnie jak wirujące ciasto na pizzy wyrzucające kawałki sera i sosu – powiedział MacLeod. Astronom zauważa, że charakterystyczna poświata atmosfery była kluczowym wskazaniem, że fale rozbijają się na powierzchni gwiazdy.

Choć MACHO 80.7443.1718 to niezwykły układ, jest mało prawdopodobne, że jest jedyny w swoim rodzaju. Spośród prawie 1000 odkrytych do tej pory gwiazd pulsujących w rytmie serca około 20 wykazuje duże wahania jasności podobne do tych w układzie symulowanym przez MacLeoda i Loeba. Ta gwiazda pulsująca w rytmie bijącego serca może być pierwszym z rosnącej klasy obiektów astronomicznych – powiedział MacLeod. Już planujemy poszukiwanie kolejnych gwiazd tego typu, aby znaleźć świecące atmosfery odrzucone przez ich załamujące się fale.

MacLeod sądzi też, że biorąc to wszystko pod uwagę, mamy szczęście, że udało nam się uchwycić gwiazdę w tej fazie, obserwujemy bowiem tylko krótki i przejściowy moment w całym, długim życiu gwiazdy. A obserwując kolosalne fale toczące się po powierzchni gwiazdy, astronomowie mają nadzieję zrozumieć, w jaki sposób bliskie interakcje kształtują ewolucję par gwiazd.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej informacji:

Źródło: CfA

Na ilustracji: Wizja artystyczna układu, w którym mniejsza gwiazda wywołuje fale powierzchniowe w masywniejszym towarzyszu. Źródło: Melissa Weiss, CfA