W bezkresie wszechświata astronomowie natrafiają czasem na obiekty, które rzucają wyzwanie naszej dotychczasowej wiedzy o dynamice układów gwiezdnych. Najnowsze odkrycie dokonane za pomocą satelity TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) dostarczyło dowodów na istnienie układu tak niezwykłego, że naukowcy określają go mianem rekordzisty. Mowa o TIC 120362137 – najbardziej zwartym systemie poczwórnym typu 3+1, jaki kiedykolwiek zaobserwowano. To fascynujące laboratorium astrofizyczne pokazuje, jak wiele gwiazd może współistnieć na stosunkowo niewielkiej przestrzeni, tworząc skomplikowany, grawitacyjny taniec.
System TIC 120362137 to tak zwany hierarchiczny układ gwiezdny. W tego typu strukturach gwiazdy nie krążą wokół jednego centralnego punktu w sposób chaotyczny, lecz tworzą mniejsze podgrupy. W przypadku tego konkretnego odkrycia mamy do czynienia z konfiguracją 3+1. Oznacza to, że w samym centrum znajduje się ciasno upakowane trio gwiazd, które z dużej odległości jest okrążane przez czwartą, samotną towarzyszkę. To, co czyni ten system wyjątkowym, to jego niewiarygodnie mała skala.
Gdybyśmy chcieli przenieść TIC 120362137 do naszego Układu Słonecznego, cały ten złożony mechanizm czterech słońc zmieściłby się w przestrzeni między Słońcem a Jowiszem. Co więcej, wewnętrzny podsystem trzech gwiazd jest tak ciasny, że jego całkowity rozmiar nie przekracza orbity Merkurego. Dla porównania, w naszym układzie jest to przestrzeń niemal całkowicie pusta, zajmowana jedynie przez jedną planetę krążącą blisko macierzystej gwiazdy. Tutaj, w tej samej objętości, trzy masywne obiekty nieustannie oddziałują na siebie grawitacyjnie, krążąc w zawrotnym tempie.
Detektywistyczna praca astronomów
Odkrycie to nie było oczywiste od samego początku. Zespół badawczy pod przewodnictwem Tamása Borkovitsa z Uniwersytetu w Segedynie na Węgrzech początkowo dostrzegł jedynie typowy układ podwójny zaćmieniowy. Dane z satelity TESS pokazywały regularne spadki jasności co 3,3 dnia, co sugerowało parę gwiazd przesłaniających się nawzajem. Takich układów znamy tysiące, więc początkowo obiekt nie wzbudził sensacji.
Dopiero wnikliwa analiza krzywych blasku ujawniła dodatkowe, trwające od jednego do dwóch dni spadki jasności, występujące co 25–26 dni. Stało się jasne, że w systemie musi znajdować się trzeci obiekt o okresie orbitalnym wynoszącym około 51 dni. System okazał się więc potrójnie zaćmieniowym układem potrójnym. To jednak nie był koniec niespodzianek. Dalsze obserwacje, potwierdzone spektrografem TRES (Tillinghast Reflector Echelle Spectrograph) w Arizonie, wykazały obecność czwartej gwiazdy. Okazało się, że ma ona najkrótszy okres orbitalny wśród wszystkich znanych układów typu 3+1 – okrąża ona centralne trio w zaledwie 1046 dni.
Charakterystyka fizyczna gwiezdnych tancerzy
Dzięki precyzyjnym pomiarom naukowcy zdołali określić parametry fizyczne poszczególnych składników tego systemu. Trzy wewnętrzne gwiazdy są znacznie masywniejsze i gorętsze od naszego Słońca. To one dominują w układzie pod względem jasności i energii. Z kolei czwarta, najbardziej zewnętrzna gwiazda, jest obiektem chłodniejszym i mniej masywnym, wykazując duże podobieństwo do Słońca.
Takie zróżnicowanie mas i temperatur w tak ciasnym układzie jest niezwykle cenne dla badaczy ewolucji gwiazd. Pozwala ono testować modele formowania się systemów wielokrotnych oraz stabilności ich orbit w długiej skali czasowej. Odkrycie systemów typu 3+1 jest niezwykle trudne, ponieważ wykrycie zewnętrznego składnika metodą tranzytu (obserwacji zaćmień) wymaga wieloletnich, nieprzerwanych obserwacji. W przypadku TIC 120362137 astronomowie mieli sporo szczęścia, trafiając na konfigurację, która ujawniła swoje sekrety w relatywnie krótkim czasie.
Przyszłość układu: Gwiezdne fuzje i białe karły
Jednym z najbardziej ekscytujących aspektów badania TIC 120362137 jest możliwość przewidzenia jego ostatecznego losu. Wykorzystując zaawansowane symulacje komputerowe, zespół Tamása Borkovitsa nakreślił scenariusz ewolucyjny, który czeka ten system. Proces ten będzie gwałtowny i doprowadzi do drastycznej zmiany struktury układu.
W pierwszej kolejności najmasywniejsza gwiazda z wewnętrznej pary wejdzie w fazę czerwonego olbrzyma. Pęczniejąc, pochłonie swojego bezpośredniego towarzysza, tworząc nową, połączoną gwiazdę. Za około 276 milionów lat ta nowo powstała gwiazda zderzy się i zleje z trzecim składnikiem wewnętrznego układu, gdy oba obiekty osiągną stadium olbrzyma. Powstanie w ten sposób jedna, bardzo masywna gwiazda, która po odrzuceniu zewnętrznych warstw zapadnie się, tworząc białego karła o masie około 89% masy Słońca.
W międzyczasie zewnętrzna, czwarta gwiazda również przejdzie własną ewolucję, kończąc jako mniejszy biały karzeł (około 29% masy Słońca). Ostatecznie, to co dziś jest dynamicznym układem czterech jasnych gwiazd, stanie się układem podwójnym dwóch białych karłów o okresie orbitalnym około 44 dni. Wyniki tych badań, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature, stanowią milowy krok w zrozumieniu, jak ekstremalne warunki grawitacyjne kształtują życie i śmierć gwiazd we wszechświecie.