Układy podwójne białych karłów a supernowe typu Ia

Zdjęcie supernowej 1994 w galaktyce NGC 4526. Źródło: NASA/ESA
Zdjęcie supernowej 1994 w galaktyce NGC 4526. Źródło: NASA/ESA

Nowy model matematyczny stworzony przez astrofizyków z American Museum of Natural History opisuje sposób, w jaki pozostałości po gwiazdach – białe karły – mogłyby zostać zdetonowane w eksplozjach, które służą do mierzenia ekstremalnych odległości we Wszechświecie. Mechanizm, opisany w periodyku  Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, może poprawić naszą wiedzę o supernowych typu Ia.

„Supernowe typu Ia to niesamowicie ważne obiekty w fizyce, które m.in. pozwoliły naukowcom potwierdzić, że rozszerzanie wszechświata przyspiesza,” mówi współautor pracowania Saavik Ford z Wydziału Astrofizyki w Muzeum. „Jednak problemem jest fakt, że naukowcy nie zgadzają co do tego, w jaki sposób dochodzi do eksplozji supernowej typu Ia.”

Obecne badania wskazują, że do eksplozji supernowych typu Ia dochodzi w układach podwójnych – w których dwie gwiazdy orbitują krążą wokół wspólnego środka masy – gdzie co najmniej jedną z gwiazd jest biały karzeł, gęsta pozostałość po gwieździe kilka razy masywniejszej od Słońca.  W ramach opisywanych tu badań naukowcy zastanawiali się w jaki sposób układ dwóch białych karłów może doprowadzić do supernowej.

„Najprościej byłoby zderzyć ze sobą dwa białe karły,” mówi Ford. „W naszym lokalnym Wszechświecie istnieje jednak niewiele układów podwójnych składających się z wystarczająco bliskich sobie dwóch białych karłów. Mimo to widzimy tu wiele supernowych, dlatego jakiś inny proces musi prowadzić do eksplozji.”

Ford wraz ze współautorem Barrym McKernanem, profesorem z Borough of Manhattan Community College (CUNY) proponują zatem inny scenariusz: białe karły to obiekty o rozmiarach zbliżonych do rozmiarów Ziemi, bardzo gęste i złożone z materii zdegenerowanej. Gdy dwa białe karły krążą wokół siebie, wzajemnie się przyciągają, emitując fale grawitacyjne, w których uwalniana jest energia z takiego układu. To sprawia, że stopniowo białe karły się do siebie zbliżają. W trakcie tego procesu układ podwójny zaczyna się zmniejszać, częstotliwość przyciągania się zwiększa, aż w pewnym momencie zrównuje się z częstotliwością oscylacji przynajmniej jednego z dwóch białych karłów. W tym momencie dochodzi do rezonansu, który można byłoby zwizualizować na przykładzie dziecka popychanego na huśtawce.

„Odpychanie dziecka siedzącego na huśtawce w odpowiednim momencie, czyli z odpowiednią częstotliwością sprawia, że huśtawka nabiera energii i odchyla się coraz bardziej,” mówi McKernan. „Podobny efekt obserwujemy w naszym modelu, gdzie dopasowanie częstotliwości prowadzi do serii gwałtownych skoków energii, która odkłada się w białych karłach.”

W efekcie, jeżeli wewnątrz rezonującego białego karła zbierze się wystarczająca ilość energii, może on eksplodować zanim dotknie  drugiego białego karła. Jeżeli biały karzeł jednak nie eksploduje, rezonans sprawi, że orbita będzie kurczyła się szybciej niż tłumaczy to emisja fal grawitacyjnych, dlatego też gwiazdy zderzą się ze sobą szybciej niż byśmy tego oczekiwali.

Ford i McKernan planują przetestować swój model analizując dane zebrane przez detektory fal grawitacyjnych takie jak LISA, obserwatorium kosmiczne, które ma wystartować w 2029 roku.

„Jeżeli mamy rację LISA może dostrzec nierównomierności w falach grawitacyjnych emitowanych od najbliższych nam układów podwójnych składających się z białych karłów,” mówi McKernan.

Źródło: AMNH