Co się dzieje w przypadku, w którym gwiazda zachowuje się jakby eksplodowała, ale wciąż istnieje?
Jakieś 170 lat temu astronomowie byli świadkami potężnego rozbłysku Eta Carinae, jednej z najjaśniejszych znanych gwiazd w Drodze Mlecznej. Eksplozja wyzwoliła niemal tyle energii co supernowa.
A mimo to Eta Carinae przetrwała.
Wyjaśnienie tej erupcji unikało astrofizykom aż do teraz. Niestety nie możemy skorzystać z wehikułu czasu, przenieść się do połowy XIX wieku i obserwować rozbłysk za pomocą współczesnych instrumentów.
Niemniej jedna. astronomowie mogą skorzystać z naturalnego „wehikułu czasu” dzięki temu, że światło podróżuje w przestrzeni z określoną, skończoną prędkością. Zamiast zmierzać prosto w stronę Ziemi, część promieniowania z rozbłysku odbiła się niczym echo od pyłu międzygwiezdnego i dopiero teraz dociera do Ziemi. Promieniowanie tego typu zachowuje się niczym kartka pocztowa, która zagubiła się na poczcie i dociera do nas dopiero 170 lat po czasie.
Wykorzystując współczesne instrumenty naukowe na tym opóźnionym promieniowaniu astronomowie odkryli coś niespodziewanego. Nowe pomiary erupcji z lat czterdziestych XIX wieku ujawniają materię rozprzestrzeniającą się z rekordowymi prędkościami niemal dwudziestokrotnie większymi niż oczekiwano. Obserwowane prędkości bardziej przypominają najszybszą materię odrzuconą w przestrzeń przez falę uderzeniową po eksplozji supernowej niż stosunkowo wolne i łagodne wiatry typowe dla masywnych gwiazd tuż przed końcem cyklu ewolucyjnego.
W oparciu o te dane, badacze sugerują, że erupcja mogła być spowodowana przez przydługie zapasy między trzema gwiazdami, wskutek których jedna gwiazda uległa zniszczeniu, a dwie pozostałe utworzyły układ podwójny. Kulminacją tego zamieszania mogła być gwałtowna eksplozja, do której doszło gdy Eta Carinae pochłonęła jedną ze swoich dwóch towarzyszek, wyrzucając ponad 10 mas słońca materii w przestrzeń kosmiczną. Wyrzucona materia odpowiada za powstanie dwóch, biegunowych płatów przypominających hantle w dzisiejszych teleskopach.
Wyniki badań zostały opublikowane w dwóch artykułach naukowych autorstwa zespołu kierowanego przez Nathana Smitha z University of Arizona w Tuscon oraz Armina Resta z Space Telescope Science Institute w Baltimore.
Owo echo świetlne zostało odkryte na zdjęciach w zakresie widzialnym wykonywanych od 2003 roku za pomocą średnich rozmiarów teleskopów w Obserwatorium Cerro Tololo w Chile. Za pomocą większych teleskopów w Obserwatorium Magellana oraz Gemini South badacze wykorzystali spektroskopię do oddzielenia światła, dzięki czemu możliwe było zmierzenie prędkości rozszerzania się materii wyrzuconej w eksplozji. Ustalono, że prędkość materii wynosi ponad 35 milionów kilometrów na godzinę (wystarczająco szybko aby dotrzeć z Ziemi na Plutona w kilka dni).
Obserwacje dostarczyły nowych wskazówek dotyczących tajemnicy otaczającej potężnych konwulsji, które w swoim czasie uczyniły Eta Carinae drugą pod względem jasności gwiazdą widoczną na niebie między 1837 a 1858 rokiem. Dane wskazują mianowicie w jaki sposób mogła się ona stać najjaśniejszą i najmasywniejszą gwiazdą w Drodze Mlecznej.
„Widzimy te naprawdę wyjątkowo wysokie prędkości w gwieździe, która zdawać by się mogło eksplodowała, a jednak gwiazda przetrwała” tłumaczy Smith. „Najłatwiej do tego doprowadzić za pomocą fali uderzeniowej, która opuszcza gwiazdę i przyspiesza materię do bardzo wysokich prędkości”.
Masywne gwiazdy zazwyczaj kończą życie w zdarzeniach, w których ich jądra zapadają się do czarnej dziury lub gwiazdy neutronowej. Astronomowie obserwują takie zjawiska w eksplozjach supernowych, które całkowicie niszą gwiazdę. Zatem w jaki sposób może dojść do eksplozji napędzanej falą uderzeniową, która jednocześnie nie rozrywa samej gwiazdy? Jakieś gwałtowne zdarzenie musiało dostarczyć dokładnie odpowiednią ilość energii do gwiazdy, tak aby odrzuciła swoje zewnętrzne warstwy. Jednocześnie energii tej nie mogło być wystarczająco dużo, aby całkowicie ją zniszczyć.
Jedną z możliwości jest połączenie dwóch gwiazd, jednak naukowcom ciężko było opracować scenariusz, który spełniałby te warunki i pasował do wszystkich danych jakie mamy dotyczących Eta Carinae.
Badacze wskazują, że najprostszy sposób wyjaśnienia szerokiej palety obserwowanych faktów dotyczących tej erupcji to interakcje zachodzące między trzema gwiazdami, w których obiekty te wymieniają się masą.
Jeżeli tak faktycznie było, obecny pozostały po eksplozji układ podwójny musiał wcześniej być układem potrójnym. „Powodem dla którego wskazujemy, że elementy szalonego układu potrójnego oddziałują ze sobą jest fakt, że to najlepsze wyjaśnienie na to jak obecny towarzysz szybko utracił swoje zewnętrzne warstwy” mówi Smith.
W proponowanym przez naukowców scenariuszu dwie masywne gwiazdy krążą ciasno wokół wspólnego środka masy, a trzecia gwiazda krąży nieco dalej. Gdy masywniejszy element układu podwójnego zbliża się do końca swojego życia, zaczyna się rozszerzać i zrzuca większość swojej materii na swoją nieco mniejszą towarzyszkę.
Towarzyszka w pewnym momencie ma już ponad 100 mas Słońca i jest ekstremalnie jasna. Gwiazda, która dostarczyła jej materii ma teraz tylko około 30 mas Słońca, została odarta z warstw wodoru i odsłoniło się jej gorące jądro helowe.
Gwiazdy z gorącym jądrem helowym stanowią zaawansowane stadium ewolucji w życiu masywnych gwiazd. „Z ewolucji gwiazd wiemy, że masywniejsze gwiazdy żyją szybciej i krócej, a mniej masywne wolniej i dłużej. Zatem gorący towarzysz musi być na późniejszym stadium ewolucji nawet pomimo faktu, że jest teraz dużo mniej masywny, niż ten wokół którego krąży. To nie ma sensu jeżeli nie założymy transferu masy.”
Transfer masy wpływa na równowagę grawitacyjną układu, i gwiazda z gorącym jądrem helowym oddala się nieco od swojego potężnego towarzysza. Gwiazda ta oddala się na tyle, że zaczyna oddziaływać z trzecim składnikiem układu, wpychając go do środka układu. Po kilku bliskich przelotach, gwiazda łączy się ze swoim masywnym partnerem powodując wypływ materii.
W początkowych stadiach procesu łączenia, wyrzucana materia jest gęsta i oddala się stosunkowo powoli gdy dwie gwiazdy stopniowo się do siebie zbliżają. Następnie, dochodzi do eksplozji gdy dwie wewnętrzne gwiazdy w końcu się ze sobą łączą, wyrzucając w tym momencie materię niemal 100 razy szybciej. Ta materia z czasem dogania wolno poruszającą się materię odrzuconą wcześniej i uderza w nią rozgrzewając ją i sprawiając, że zaczyna ona świecić. Ta świecąca materia jest źródłem światła głównej erupcji obserwowanej przez astronomów półtora wieku temu.
W międzyczasie mniejsza gwiazda z jądrem helowym weszła na orbitę eliptyczną, na której co 5,5 roku przechodzi przez zewnętrzne warstwy olbrzyma. W trakcie tych przejść gwiazda wyzwala fale uderzeniowe, które emitują promieniowanie rentgenowskie.
Lepsze zrozumienie fizyki stojącej za erupcją Eta Carinae może rzucić nowe światło na skomplikowane interakcje w układach podwójnych oraz wielokrotnych, które są kluczowe do zrozumienia ewolucji i śmierci masywnych gwiazd.
Układ Eta Carinae znajduje się 7500 lat świetlnych od Ziemi w Mgławicy Carina, rozległym obszarze gwiazdotwórczym nieba południowego.
Źródło: ESA/Hubble Information Centre