Astronomowie z Uniwersytetu w Toronto odkryli populację masywnych gwiazd, które zostały pozbawione otoczek wodorowych przez swoich towarzyszy w układach podwójnych. Odkrycia, opublikowane dzisiaj w czasopiśmie Science, rzucają światło na gorące gwiazdy helowe, które uważa się za źródła ubogich w wodór supernowych z zapadnięciem się jądra i łączenia się gwiazd neutronowych.
Przez ponad dekadę naukowcy snuli teorię, że w układach podwójnych mniej więcej jedna na trzy masywne gwiazdy jest pozbawiona otoczki wodorowej. Jednak do tej pory zidentyfikowano tylko jednego potencjalnego kandydata.
„To była tak duża, rażąca dziura” – mówi współautorka Maria Drout, adiunkt na Wydziale Astronomii i Astrofizyki Davida A. Dunlapa oraz współpracownik Instytutu Astronomii i Astrofizyki Dunlap na Uniwersytecie w Toronto.
„Gdyby okazało się, że te gwiazdy są rzadkie, wówczas całe nasze teoretyczne ramy dla wszystkich tych różnych zjawisk byłyby błędne, co miałoby konsekwencje dla supernowych, fal grawitacyjnych i światła z odległych galaktyk” – mówi Drout. „To odkrycie pokazuje, że te gwiazdy naprawdę istnieją”.
„W przyszłości będziemy w stanie przeprowadzić znacznie bardziej szczegółową fizykę tych gwiazd” – mówi Drout. „Na przykład przewidywania dotyczące liczby połączeń gwiazd neutronowych, które powinniśmy zaobserwować, zależą od właściwości tych gwiazd, np. ilości materii wydzielanej z nich przez wiatry gwiazdowe. Teraz po raz pierwszy będziemy mogli zmierzyć podczas gdy ludzie ekstrapolowali to już wcześniej.”
Gwiazdy podwójne z paskiem przywoływano już wcześniej, aby wyjaśnić, dlaczego jedna trzecia supernowych powstałych w wyniku zapadnięcia się jądra zawiera znacznie mniej wodoru niż typowa eksplozja czerwonego nadolbrzyma. Drout i jej współpracownicy sugerują, że te nowo odkryte gwiazdy ostatecznie eksplodują jako supernowe ubogie w wodór. Uważa się również, że te układy gwiezdne są niezbędne do tworzenia się połączeń gwiazd neutronowych, takich jak te, które emitują fale grawitacyjne wykryte z Ziemi w eksperymencie LIGO.
W rzeczywistości naukowcy uważają, że kilka obiektów w ich obecnej próbce to gwiazdy pozbawione pasm wraz z gwiazdami neutronowymi lub czarnymi dziurami. Obiekty te znajdują się na etapie tuż przed tym, zanim staną się podwójną gwiazdą neutronową lub gwiazdą neutronową z układami czarnych dziur, które mogą ostatecznie się połączyć.
„Wiele gwiazd uczestniczy w kosmicznym tańcu z partnerem, krążąc wokół siebie w układzie podwójnym. Nie są samotnymi gigantami, ale częścią dynamicznych duetów, które oddziałują na siebie i wpływają na siebie przez całe życie” – mówi Bethany Ludwig, doktorantka na Wydziale Astronomii i Astrofizyki Davida A. Dunlapa na Uniwersytecie w Toronto i trzeci autor tej pracy. „Nasza praca rzuca światło na te fascynujące relacje, odkrywając wszechświat, który jest znacznie bardziej połączony i aktywny, niż wcześniej sobie wyobrażaliśmy”.
„Tak jak ludzie są istotami społecznymi, tak też gwiazdy, zwłaszcza te masywne, rzadko są samotne” – mówi Ludwig.
Gdy gwiazdy ewoluują i rozszerzają się, stając się czerwonymi olbrzymami, wodór na zewnętrznych krawędziach jednej z nich może zostać usunięty przez przyciąganie grawitacyjne jej towarzysza, pozostawiając odsłonięty bardzo gorący rdzeń helu. Proces ten może trwać dziesiątki tysięcy, a nawet setki tysięcy lat.
Gwiazdy pozbawione pasków są trudne do znalezienia, ponieważ większość emitowanego przez nie światła znajduje się poza widmem światła widzialnego i może być zasłonięta przez pył we wszechświecie lub przyćmiona przez gwiazdy towarzyszące.
Drout i jej współpracownicy rozpoczęli poszukiwania w 2016 r. Po studiach doktoranckich na temat supernowych ubogich w wodór, Drout podczas stażu podoktorskiego NASA Hubble'a w Obserwatoriach Carnegie Institution postanowiła odnaleźć pozbawione gwiazd gwiazdy, które, jak się uważa, znajdowały się w ich sercach. Nauka. Na konferencji poznała współautorkę Ylvę Götberg, obecnie adiunkt w Instytucie Nauki i Technologii w Austrii (ISTA), która niedawno zbudowała nowe teoretyczne modele tego, jak powinny wyglądać te gwiazdy.
Drout, Götberg i ich współpracownicy opracowali nowy przegląd mający na celu zbadanie ultrafioletowej części widma, w której niezwykle gorące gwiazdy emitują większość swojego światła. Choć niewidoczne gołym okiem, światło ultrafioletowe można wykryć za pomocą specjalistycznych instrumentów i teleskopów.
Wykorzystując dane z Teleskopu Ultrafioletowego/Optycznego Swift, naukowcy zebrali jasności milionów gwiazd w Wielkim i Małym Obłoku Magellana, dwóch najbliższych galaktykach do Ziemi. Ludwig opracował pierwszy szerokokątny katalog UV Obłoków Magellana i wykorzystał fotometrię UV do wykrywania układów o nietypowej emisji UV, sygnalizując możliwą obecność gwiazdy w paski.
Przeprowadzili pilotażowe badania 25 obiektów, uzyskując spektroskopię optyczną za pomocą Teleskopów Magellana w Obserwatorium Las Campanas w latach 2018–2022. Wykorzystali te obserwacje do wykazania, że gwiazdy są gorące, małe, ubogie w wodór i znajdują się w układach podwójnych — wszystko zgodne z przewidywaniami modelu.
Obecnie badacze kontynuują badanie gwiazd zidentyfikowanych w tym artykule i rozszerzają swoje poszukiwania, aby znaleźć więcej. Będą szukać zarówno w pobliskich galaktykach, jak i w obrębie naszej Drogi Mlecznej za pomocą zatwierdzonych programów na Kosmicznym Teleskopie Hubble'a, Teleskopie Rentgenowskim Chandra, Teleskopach Magellana i Teleskopie Anglo-Australijskim. W ramach tej publikacji wszystkie modele teoretyczne i dane użyte do identyfikacji tych gwiazd zostały upublicznione i udostępnione innym naukowcom.
Współpracujące instytucje obejmują Uniwersytet w Toronto, Obserwatoria Carnegie Institution for Science, Max-Planck-Institut für Astrophysik, Anton Pannekoek Institute for Astronomy, Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics oraz Steward Observatory.
.