Dane rentgenowskie mogą być pierwszym dowodem na zniszczenie planety przez gwiazdę

Źródło: NASA/CXC/M.Weiss

Przez niemal całe stulecie astronomowie łamią sobie głowy osobliwą zmiennością młodych gwiazd w gwiazdozbiorze Byka-Woźnicy jakieś 450 lat świetlnych od Ziemi. Jedna z tych gwiazd wydaje się szczególnie interesująca. Co kilkadziesiąt lat jasność gwiazdy spada na krótko, aby szybko powrócić do poprzedniej jasności.

W ostatnich latach astronomowie obserwowali częstsze spadki jasności trwające dłużej niż poprzednie. Co zatem okresowo przesłania gwiazdę? Odpowiedź, według astronomów, może rzucać światło na pewne chaotyczne procesy, które mają miejsce na wczesnym etapie rozwoju gwiazdy.

Teraz fizycy z MIT oraz z innych instytucji przeprowadzili obserwacje gwiazdy RW Aur A za pomocą Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra. W trakcie badań znaleźli dowody na to, co może być przyczyną ostatniego pociemnienia gwiazdy: zderzenie dwóch młodych obiektów planetarnych, które doprowadziło do powstania gęstego obłoku pyłu i gazu. Gdy owe odłamki planetarne opadały na gwiazdę, stworzyły gęstą otoczkę, która tymczasowo przyćmiła światło emitowane przez gwiazdę.

“Symulacje komputerowe od dawna przewidują, że planety mogą opadać na młode gwiazdy, jednak jak dotąd niczego takiego nie obserwowaliśmy” mówi Hans Moritz Guenther, badacz z Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, który kierował badaniami. “Jeżeli nasza interpretacja danych jest prawidłowa, byłby to pierwszy raz w historii, kiedy udało nam się bezpośrednio zaobserwować młodą gwiazdę w trakcie pochłaniania planety czy też planet.”

Wcześniejsze pociemnienia gwiazdy także mogły być spowodowane podobnymi zderzeniami dwóch obiektów planetarnych lub dużych odłamków powstałych we wcześniejszych zderzeniach.

“To czyste spekulacje, ale jeżeli obserwujemy zderzenie dwóch dużych obiektów, to prawdopodobne jest że wskutek tego zderzenia znajdą się one na nietypowych orbitach, które zwiększają prawdopodobieństwo zderzenia z innymi obiektami” mówi Guenther.

Guenther jest głównym autorem artykułu opisującego uzyskane przez badaczy wyniki, a który opublikowany został wczoraj w periodyku Astronomical Journal. 

Naukowcy, którzy badają wczesne etapy rozwoju gwiazd często przyglądają się ciemnym obłokom w Byku i Woźnicy, całemu zbiorowi obłoków molekularnych, w których znajdują się gwiezdne żłobki zawierające tysiące młodych gwiazd. Młode gwiazdy powstają wskutek kolapsu zagęszczeń gazu i pyłu występujących właśnie w takich obłokach. Bardzo młode gwiazdy, w przeciwieństwie do gwiazd dojrzałych takich jak Słońce, wciąż otoczone są przez rotujące dyski odłamków, pełne pyłu, gazu i zagęszczeń materii o rozmiarach od małych ziaren pyłu, przez kamienie po młodociane planety.

“Jeżeli spojrzymy na nasz układ planetarny, to zobaczymy planety, ale nie zobaczymy masywne dysku wokół słońca” mówi Guenther. “Takie dyski istnieją przez może 5 do 10 milionów lat. W Byku także mamy już wiele gwiazd, które już utraciły swoje dyski, choć część nadal wskazuje na ich obecność. Jeżeli zatem chcesz się dowiedzieć co się dzieje pod koniec procesu rozpraszania dysków okołogwiezdnych, Byk jest właściwym miejscem dla twoich badań”.

Guenther wraz ze współpracownikami skupił się na gwiazdach, które są jeszcze na tyle młode, aby posiadać własne dyski. W szczególności interesowała ich RW Aur A, która znajduje się przy górnym ograniczeniu zakresu wieku młodych gwiazd, a jej wiek szacuje się na kilka milionów lat. RW Aur A jest składnikiem układu podwójnego, co oznacza, że krąży ona wokół wspólnego środka masy z gwiazdą RW Aur B. Obie gwiazdy mają mniej więcej tę samą masę co Słońce.

Od 1937 roku astronomowie rejestrowali znaczące spadki jasności  RW Aur A, do których dochodziło co kilkadziesiąt lat. Każde pociemnienie trwało około miesiąca. W 2011 roku gwiazda pociemniała ponownie, tym razem jednak na około pół roku. Po tym czasie gwiazda wróciła do poprzedniej jasności, aby pociemnieć znowu w połowie 2014 roku. W listopadzie 2016 roku gwiazda powróciła do pełnej jasności.

Astronomowie podejrzewają, że owe pociemnienia spowodowane są przez przechodzące między gwiazdą a nami strumienie gazu na zewnętrznej krawędzi dysku. Inni naukowcy podejrzewają, że pociemnienia mają źródło w procesach zachodzących bliżej centrum gwiazdy.

“Chcieliśmy przebadać materię, która przesłania gwiazdę, a która z pewnością i tak w jakiś sposób związana jest z dyskiem” mówi Guenther.

W styczniu 2017 roku RW Aur A pociemniała ponownie, a zespół badaczy wykorzystał Obserwatorium Rentgenowskie Chandra do obserwacji gwiazdy w zakresie promieniowania rentgenowskiego.

“Promieniowanie rentgenowskie pochodzi z gwiazdy, a widmo rentgenowskie ulega zmianom gdy promienie przechodząc przez gaz wypełniający dysk” mówi Guenther. “Poszukujemy w tych promieniach X okreslonych sygnatur pozostawionych przez gaz.”

Łącznie Chandra zarejestrowała 50 kilosekund czyli prawie 14 godzin danych rentgenowskich emitowanych przez gwiazdę. Po przeanalizowaniu tych danych, badacze doszli do kilku zaskakujących wniosków: otaczający gwiazdę dysk zawiera ogromne ilości materii; gwiazda jest dużo gorętsza niż tego oczekiwano, a dysk zawiera dużo więcej żelaza niż oczekiwano – nie tak dużo jak na Ziemi, ale więcej niż w typowym księżycu Układu Słonecznego. (Nasz własny Księżyc ma jednak dużo więcej żelaza niż ów dysk).

Ten ostatni punkt szczególnie zaintrygował naukowców. Zazwyczaj rentgenowskie widmo gwiazdy zawiera sygnatury różnych pierwiastków takich jak tlen, żelazo, krzem czy magnez, a ilość każdego z tych pierwiastków zależy od temperatury panującej w dysku otaczającym gwiazdę.

“Tutaj widzimy dużo więcej, 10 razy więcej, żelaza niż kiedykolwiek wcześniej, co jest bardzo nietypowe, ponieważ zazwyczaj gwiazdy aktywne i gorące mają mniej żelaza niż inne, podczas gdy ta ma więcej. Skąd się zatem wzięło to całe żelazo?”

Badacze podejrzewają, że to nadmiarowe żelazo może pochodzić z jednego z dwóch możliwych źródeł. Pierwszy jest zjawisko znane jako pułapka ciśnienia pyłu, w której małe ziarna lub cząstki takie jak żelazo mogą zostać uwięzione w “strefach śmierci” dysku.  Gdy struktura dysku nagle się zmienia, na przykład podczas bliskiego przejścia drugiej gwiazdy, powstałe w ten sposób siły pływowe mogą uwolnić uwięzione cząstki, które mogą następnie opaść na gwiazdę.

Druga opcja jest dla Guenthera nieco bardziej przekonująca. W tym scenariuszu nadmiar żelaza powstaje gdy dwa planetezymale, zarodki obiektów planetarnych zderzają się ze sobą, powodując powstanie gęstego obłoku cząstek. Jeżeli jedna lub obie planety biorące udział w zderzeniu są w części zbudowane z żelaza, ich zderzenie może doprowadzić do uwolnienia dużej ilości żelaza do dysku gwiazdy i tymczasowo przesłonić jego promieniowanie gdy owa materia opada na gwiazdę.

“W młodości gwiazdy może dochodzić do wielu różnych procesów, ale te dwa scenariusze mogą doprowadzić do tego co udało nam się zaobserwować” mówi Guenther.

Badacze planują dalsze obserwacje gwiazdy, w których będą sprawdzali czy zmienia się ilość żelaza otaczającego gwiazdę – w ten sposób można byłoby ustalić  rozmiar źródła żelaza. Jeżeli dla przykładu za rok zaobserwowanoby tę samą ilość żelaza, oznaczałoby to, że pochodzi ono ze stosunkowo masywnego źródła, takiego jak zderzenie planet.

Źródło: MIT