Gwiazda, która nie umrze

Co się stanie, gdy gwiazda zachowa się, jakby eksplodowała, ale wciąż tam pozostanie?

Około 170 lat temu astronomowie byli świadkami wielkiej eksplozji Eta Carinae, jednej z najjaśniejszych znanych gwiazd w galaktyce Drogi Mlecznej. Podmuch uwolnił tyle energii, co standardowy wybuch supernowej. 

Jednak Eta Carinae przeżyła.

Wyjaśnienie wybuchu umyka astrofizykom. Nie mogą użyć wehikułu czasu, aby przenieść się do XIX wieku, aby móc zaobserwować wybuch przy użyciu nowoczesnych technologii.

Jednak astronomowie mogą skorzystać z naturalnej „maszyny czasu” dzięki temu, że światło podróżuje w przestrzeni ze skończoną prędkością. Zamiast podążać prosto w kierunku Ziemi, część światła z wybuchu odbiła się od pyłu międzygwiezdnego i właśnie dotarła do Ziemi. Efekt ten nazywa się odbiciem świetlnym. Światło zachowuje się jak zagubiona pocztówka, która odnajduje się 170 lat później.

Przy użyciu naziemnych teleskopów naukowcy wykonali współczesną analizę astronomiczną opóźnionego światła i znaleźli niespodziankę. Nowe pomiary wybuchu z lat 40. XIX w. ujawniają ekspansję materii z rekordową prędkością, ponad 20-krotnie większą, niż oczekiwali astronomowie. Obserwowane prędkości są podobne do najszybszej materii wyrzucanej przez falę uderzeniową w czasie eksplozji supernowej a nie do stosunkowo powolnych i delikatnych wiatrów, które powinny towarzyszyć śmierci masywnej gwiazdy.

Na podstawie tych danych naukowcy sugerują, że wybuch mógł być wywołany przedłużającą się walką pomiędzy trzema gwiezdnymi siostrami, gdzie zginęła jedna z nich, a dwie pozostały w układzie podwójnym. Walka ta mogła zakończyć się gwałtowną eksplozją, kiedy Eta Carinae pożarła jednego ze swoich dwóch towarzyszy, wystrzeliwując w kosmos ponad 10 mas Słońca. Wyrzucona masa wytworzyła gigantyczne dwubiegunowe płatki, kształtem przypominające hantle, jakie widzimy na współczesnych zdjęciach.

Odbicia świetlne zostały wykryte w świetle widzialnym na zdjęciach uzyskiwanych od 2003 r. za pomocą teleskopu o średnim rozmiarze na Cerro Tololo Inter-American Observatory w Chile. Używając większych teleskopów – Magellana w Carnegie Institution for Science's Las Campanas Observatory oraz Gemini South Observatory (obydwa w Chile), zespół wykorzystał również spektroskopię do analizy światła, co pozwoliło im zmierzyć tempo ekspansji obiektu. Z pomiarów wynika, że materia porusza się z prędkością 32 mln km/h (z taką prędkością podróż z Ziemi do Plutona zajęłaby kilka dni).

Obserwacje sugerują nowe wskazówki dotyczące tajemnicy otaczającej gigantyczne wstrząsy, które w tamtym czasie uczyniły Eta Carinae drugą pod względem jasności gwiazdę widzianą na ziemskim niebie w latach 1837-1858. Dane wskazują, w jaki sposób mogła ona stać się najjaśniejszą i najmasywniejszą gwiazdą Drogi Mlecznej.

Masywne gwiazdy zwykle osiągają koniec swojego życia w zdarzeniu szoku, gdy ich jądra zapadają się, tworząc gwiazdę neutronową bądź czarną dziurę. Astronomowie obserwują to zjawisko jako wybuch supernowej. Zatem w jaki sposób gwiazda wybucha w zdarzeniu szoku, jednak nie zostaje całkowicie rozerwana? Jakieś gwałtowne zdarzenie musiało rzucić na gwiazdę odpowiednią ilość energii, powodując odrzucenie jej zewnętrznych warstw. Jednak ta energia nie wystarczyła, by całkowicie unicestwić gwiazdę.

Jedną z możliwości takiego stanu jest połączenie się dwóch gwiazd, ale trudno byłoby znaleźć scenariusz, który mógłby dopasować wszystkie dane Eta Carinae.

Naukowcy sugerują, że najprostszym sposobem wyjaśnienia szerokiego zakresu obserwowanych faktów otaczających erupcję jest interakcja trzech gwiazd, które wymieniają między sobą masę.

Jeżeli tak jest, obecny pozostały układ podwójny musiał w fazie początkowej być układem trzech gwiazd. „Powodem, dla którego sugerujemy, że członkowie zwariowanego układu potrójnego współdziałają ze sobą jest to, że to najlepsze wytłumaczenie tego, jak współcześni towarzysze tak szybko utracili warstwy zewnętrzne przed bardziej masywnym rodzeństwem” – powiedział Nathan Smith z Uniwersytetu Arizona. 

W proponowanym przez zespół scenariuszu dwie gwiazdy orbitują blisko siebie a trzeci towarzysz krąży dalej. Kiedy masywniejsza gwiazda układu podwójnego zbliża się do końca swojego życia, zaczyna się rozszerzać i zrzucać większość materii na nieco mniejsze rodzeństwo.

Rodzeństwo ma teraz masę około 100 razy większą, niż Słońce i jest niezwykle jasne. Trzecia gwiazda, obecnie o masie zaledwie 30 Słońc, została pozbawiona warstwy wodoru, odsłaniając gorące jądro helowe.

Jak wiadomo, gorące jądra helowe gwiazd stanowią zaawansowany etap ewolucji w życiu masywnych gwiazd. Wiemy, że bardziej masywne gwiazdy żyją szybciej i intensywniej a mniej masywne dłużej i spokojniej. W związku z tym masywny towarzysz wydaje się być bardziej zaawansowany ewolucyjnie, pomimo tego, że jest teraz znacznie mniej masywnym od tej, którą okrąża. Jedynym wyjaśnieniem jest transfer masy.

Transfer masy zmienia równowagę grawitacyjną układu, a gwiazda z jądrem helowym odsuwa się dalej od swojej potwornej siostry. Gwiazda wędruje tak daleko, że grawitacyjnie współdziała z trzecią. Po kilku krótkich przejściach gwiazda łączy się z cięższym partnerem, produkując wypływ materii. 

W początkowych etapach fuzji, gdy dwie gwiazdy zbliżają się coraz bardziej, wyrzut jest gęsty i rozwija się stosunkowo wolno. Później, wybuchowe zdarzenia pojawiają się, gdy dwie wewnętrzne gwiazdy w końcu łączą się ze sobą, wystrzeliwując materię poruszającą się 100 razy szybciej. Materia chwyta powolny wyrzut i uderza w niego, ogrzewając materię i powodując jej świecenie. Ta świecąca materia jest źródłem światła głównego historycznego wybuchu obserwowanego przez astronomów półtora wieku temu. 

Tymczasem mniejsza gwiazda z jądrem helowym osadza się na eliptycznej orbicie, przechodząc przez zewnętrzne warstwy gigantycznej gwiazdy co 5,5 roku. Owa interakcja generuje fale uderzeniowe emitujące promieniowanie X.

Lepsze zrozumienie fizyki wybuchu Eta Carinae może pomóc rzucić światło na skomplikowane interakcje gwiazd podwójnych i układów wielokrotnych, które są kluczem do zrozumienia ewolucji i śmierci masywnych gwiazd.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Astronomers Uncover New Clues to the Star that Wouldn’t Die

Źródło: hubblesite

Na zdjęciu: Grafika ilustruje sześć możliwych scenariuszy potężnego wybuchu, który był widziany 170 lat temu w układzie gwiazd Eta Carinae. Źródło: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)