Źródło gwiezdnych gejzerów odkryte w symulacjach trójwymiarowych

Astrofizycy w końcu znaleźli wyjaśnienie gwałtownych zmian nastroju jednych z największych, najjaśniejszych i najrzadszych gwiazd we wszechświecie.

Jasne błękitne gwiazdy zmienne okresowo doświadczają erupcji zwanych “gwiezdnymi gejzerami”. Owe silne erupcje wyrzucają w przestrzeń kosmiczną ilość materii mieszczącą się w przeciętnej planecie w ciągu zaledwie kilku dni. Powód tej niestabilności pozostawał jednak nieznany przez całe dekady.

Teraz nowe, trójwymiarowe symulacje stworzone przez zespół astrofizyków wskazuje, że burzliwy ruch w zewnętrznych warstwach masywnej gwiazdy powoduje powstawanie gęstych grud w materii gwiezdnej. Owe grudy przyjmują intensywne promieniowanie gwiazdy niczym żagle słoneczne, co prowadzi do wyrzucenia materii w przestrzeń. Po wyrzuceniu wystarczającej ilości masy, gwiazda uspokaja się do czasu odtworzenia się jej zewnętrznych warstw, kiedy to cykl powtarza się od nowa.

Identyfikacja przyczyny powstawania gejzerów gwiezdnych jest istotna ponieważ ekstremalnie masywne gwiazdy prawdopodobnie spędzają część swojego życia na etapie jasnej, błękitnej gwiazdy zmiennej – mówi Matteo Cantiello, współautor opracowania i naukowiec w Centrum Astrofizyki Obliczeniowej przy Instytucie Flatiron w Nowym Jorku.

Animacje z symulacji do obejrzenia na stronie Simons Foundation

https://www.simonsfoundation.org/2018/09/26/luminous-blue-variable-outbursts/

Odkrycie to stanowi istotny krok na drodze do zrozumienia życia i śmierci największych gwiazd we wszechświecie – mówi Cantiello. Owe masywne gwiazdy, pomimo ich niewielkiej liczebności, istotnie wpływają na ewolucję galaktyk dzięki swoim silnym wiatrom gwiezdnym i eksplozjom supernowych. Umierając, gwiazdy tego typu pozostawiają po sobie czarne dziury.

Jasne błękitne gwiazdy zmienne (LBV) są wyjątkowo rzadkie – jak na razie w Drodze Mlecznej dostrzeżono ich jedynie kilkanaście. Te olbrzymie gwiazdy charakteryzuje masa ponad stukrotnie większa od masy Słońca, zbliżająca się do teoretycznych granic maksymalnej masy gwiazdy. LBV emitują wyjątkowo dużo promieniowania: najjaśniejsze z nich emitują ponad milion razy więcej promieniowania niż Słońce.

Przepychanki między ekstremalną grawitacją wciągającą materię oraz intensywnym promieniowaniem, które chce ją wypchnąć, odpowiedzialne są za charakterystyczne rozbłyski LBV. Absorpcja fotonu przez atom wymaga, aby wokół jąder atomowych krążyły elektrony. W najgłębszych, najgorętszych warstwach gwiazdy, materia zachowuje się jak plazma, w której elektrony nie są związane z atomami. W chłodniejszych, bardziej zewnętrznych warstwach, elektrony ponownie łączą się z atomami i mogą pochłaniać fotony promieniowania.

Wcześniej proponowane wyjaśnienia rozbłysków przewidywały, że pierwiastki takie jak hel w zewnętrznych warstwach gwiazdy mogą pochłaniać wystarczająco dużo fotonów, aby pokonać grawitację i uciec w przestrzeń kosmiczną w trakcie rozbłysków. Jednak proste, jednowymiarowe obliczenia nie wspierały tej hipotezy: zewnętrzne warstwy okazywały się niewystarczająco gęste, aby pochłonąć wystarczająco dużo promieniowania, aby pokonać grawitację.

Te proste obliczenia nie uwzględniały jednak pełnego obrazu złożonej dynamiki wnętrza kolosalnej gwiazdy. Cantiello wraz z Yan Fei Jiangiem z Instytutu Kavli na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara przyjęli bardziej realistyczne podejście. Badacze stworzyli szczegółowe, trójwymiarowe symulacje tego jak materia, ciepło i promieniowanie przepływają i oddziałują ze sobą we wnętrzu potężnych gwiazd. Obliczenia wymagały ponad 60 milionów godzin pracy na zwykłym procesorze komputerowym.

W symulacja średnia gęstość zewnętrznych warstw gwiazdy była zbyt niska, aby materia mogła uciec w przestrzeń kosmiczną – tak samo jak to miało miejsce w obliczeniach jednowymiarowych. Niemniej jednak nowe obliczenia ukazały, że konwekcja i mieszanie zewnętrznych warstw sprawiało, że w niektórych miejscach gęstość była wyższa niż w innych, a znajdujące się w nich nieprzejrzyste zagęszczenia przechwytywały wystarczająco dużo promieniowania, aby uciec w przestrzeń kosmiczną wskutek wywieranego przez nie ciśnienia. Takie erupcje trwają od kilku dni do kilku tygodni, w których gwiazda się burzy, a jej jasność zmienia się. Badacze szacują, że takie gwiazdy mogą wyrzucać ok. 10 miliardów bilionów ton metrycznych rocznie czyli średnio dwie masy Ziemi.

Teraz badacze planują poprawić dokładność swoich symulacji wprowadzając do nich rotację gwiazdy, która może ułatwić uwalnianie materii w przestrzeń kosmiczną w pobliżu szybko rotującego równika.

Źródło: Simons Foundation