Gdy gwieździe zabraknie paliwa, rozdęje się do miliona razy w stosunku do swojego pierwotnego rozmiaru, pochłaniając każdą materię – i planety – za sobą. Naukowcy zaobserwowali ślady gwiazd tuż przed i wkrótce po akcie pochłonięcia całych planet, ale do tej pory nigdy nie złapali żadnej z nich.
W badaniu, które ukaże się w czasopiśmie Nature, naukowcy z MIT, Uniwersytetu Harvarda, Caltech i innych ośrodków donoszą, że po raz pierwszy zaobserwowali gwiazdę połykającą planetę.
Wydaje się, że planetarny upadek miał miejsce w naszej własnej galaktyce, oddalonej o około 12 000 lat świetlnych, w pobliżu konstelacji orła Orła. Tam astronomowie zauważyli wybuch gwiazdy, która stała się ponad 100 razy jaśniejsza w ciągu zaledwie 10 dni, po czym szybko zniknęła. Co ciekawe, po tym rozpalonym do białości błysku nastąpił zimniejszy, trwalszy sygnał. Ta kombinacja, jak wywnioskowali naukowcy, mogła powstać tylko w wyniku jednego zdarzenia: gwiazdy pochłaniającej pobliską planetę.
„Byliśmy świadkami końcowego etapu połykania” – mówi główny autor Kishalay De, doktor habilitowany w Kavli Institute for Astrophysics and Space Research na MIT.
Co z planetą, która zginęła? Naukowcy szacują, że był to prawdopodobnie gorący świat wielkości Jowisza, który zbliżył się spiralnie, a następnie został wciągnięty w atmosferę umierającej gwiazdy, a ostatecznie do jej jądra.
Podobny los spotka Ziemię, ale dopiero za 5 miliardów lat, kiedy to Słońce ma się wypalić i spalić wewnętrzne planety Układu Słonecznego.
„Widzimy przyszłość Ziemi” — mówi De. „Gdyby jakaś inna cywilizacja obserwowała nas z odległości 10 000 lat świetlnych, gdy Słońce pochłaniało Ziemię, zobaczyłaby, jak Słońce nagle się rozjaśnia, gdy wyrzuca pewną materię, a następnie tworzy wokół siebie pył, zanim wróci do tego, czym było”.
Współautorami badania z MIT są Deepto Chakrabarty, Anna-Christina Eilers, Erin Kara, Robert Simcoe, Richard Teague i Andrew Vanderburg, wraz z kolegami z Caltech, Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics i wielu innych instytucji.
Gorący i zimny
Zespół odkrył wybuch w maju 2020 r. Jednak astronomom zajęło kolejny rok wyjaśnienie, czym mógł być ten wybuch.
Początkowy sygnał pojawił się podczas wyszukiwania danych zebranych przez Zwicky Transient Facility (ZTF), prowadzony w Obserwatorium Palomar w Caltech w Kalifornii. ZTF to przegląd, który skanuje niebo w poszukiwaniu gwiazd, które szybko zmieniają jasność, których wzorem mogą być sygnatury supernowych, rozbłysków promieniowania gamma i innych zjawisk gwiezdnych.
De przeglądał dane ZTF w poszukiwaniu oznak erupcji w gwiezdnych układach podwójnych – układach, w których dwie gwiazdy krążą wokół siebie, z których jedna co jakiś czas odciąga masę od drugiej iw rezultacie na krótko się rozjaśnia.
„Pewnej nocy zauważyłem gwiazdę, która w ciągu tygodnia pojaśniała 100-krotnie” — wspomina De. „To nie przypominało żadnego gwiezdnego wybuchu, jaki widziałem w życiu”.
Mając nadzieję na znalezienie źródła większej ilości danych, De spojrzał na obserwacje tej samej gwiazdy wykonane przez Keck Observatory na Hawajach. Teleskopy Kecka wykonują pomiary spektroskopowe światła gwiazd, które naukowcy mogą wykorzystać do rozpoznania składu chemicznego gwiazdy.
Ale to, co znalazł De, jeszcze bardziej go oszołomiło. Podczas gdy większość układów podwójnych wydziela materię gwiezdną, taką jak wodór i hel, gdy jedna gwiazda eroduje drugą, nowe źródło nie wydziela żadnego. Zamiast tego De zobaczył oznaki „osobliwych cząsteczek”, które mogą istnieć tylko w bardzo niskich temperaturach.
„Te cząsteczki są widoczne tylko w bardzo zimnych gwiazdach” – mówi De. „A kiedy gwiazda się rozjaśnia, zwykle staje się gorętsza. Tak więc niskie temperatury i jaśniejsze gwiazdy nie idą w parze”.
„Szczęśliwy zbieg okoliczności”
Było wtedy jasne, że sygnał nie był gwiezdnym układem podwójnym. De postanowił poczekać, aż pojawi się więcej odpowiedzi. Około rok po swoim pierwszym odkryciu wraz ze współpracownikami przeanalizował obserwacje tej samej gwiazdy, tym razem wykonane kamerą na podczerwień w Obserwatorium Palomar. W paśmie podczerwieni astronomowie mogą widzieć sygnały zimniejszej materii, w przeciwieństwie do rozpalonych do białości optycznych emisji, które powstają w układach podwójnych i innych ekstremalnych zdarzeniach gwiezdnych.
„Te dane w podczerwieni sprawiły, że spadłem z krzesła” — mówi De. „Źródło było niesamowicie jasne w bliskiej podczerwieni”.
Wyglądało na to, że po początkowym rozbłysku gorąca gwiazda nadal emitowała zimniejszą energię przez następny rok. Ten lodowaty materiał był prawdopodobnie gazem z gwiazdy, która wystrzeliła w kosmos i skondensowała się w pył, wystarczająco zimny, aby można go było wykryć w podczerwieni. Dane te sugerują, że gwiazda może łączyć się z inną gwiazdą, zamiast rozjaśniać się w wyniku wybuchu supernowej.
Ale kiedy zespół dalej przeanalizował dane i połączył je z pomiarami wykonanymi przez kosmiczny teleskop na podczerwień NASA, NEOWISE, doszedł do znacznie bardziej ekscytującego wniosku. Na podstawie zebranych danych oszacowali całkowitą ilość energii uwolnionej przez gwiazdę od jej początkowego wybuchu i stwierdzili, że jest ona zaskakująco mała – około 1/1000 wielkości dowolnego łączenia się gwiazd obserwowanego w przeszłości.
„Oznacza to, że cokolwiek połączyło się z gwiazdą, musi być 1000 razy mniejsze niż jakakolwiek inna gwiazda, którą widzieliśmy” – mówi De. „To szczęśliwy zbieg okoliczności, że masa Jowisza wynosi około 1/1000 masy Słońca. Wtedy zdaliśmy sobie sprawę: to była planeta, która zderzyła się ze swoją gwiazdą”.
Mając kawałki na miejscu, naukowcy byli w końcu w stanie wyjaśnić początkowy wybuch. Jasny, gorący błysk był prawdopodobnie ostatnimi chwilami wciągania planety wielkości Jowisza w balonową atmosferę umierającej gwiazdy. Gdy planeta wpadła do jądra gwiazdy, zewnętrzne warstwy gwiazdy oderwały się od niej, osadzając się w postaci zimnego pyłu przez następny rok.
„Przez dziesięciolecia byliśmy w stanie zobaczyć to, co było przed i po” — mówi De. „Przedtem, kiedy planety wciąż krążą bardzo blisko swojej gwiazdy, i później, kiedy planeta została już pochłonięta, a gwiazda jest gigantem. Brakowało nam uchwycenia gwiazdy w akcie, gdzie planeta przechodzi ten los w czasie rzeczywistym. To sprawia, że to odkrycie jest naprawdę ekscytujące”.
Badania te były częściowo wspierane przez NASA, amerykańską National Science Foundation i Heising-Simons Foundation.