Korzystając z teleskopu Gemini South, zespół astronomów po raz pierwszy potwierdził, że różnice w składzie gwiazd podwójnych mogą wynikać ze zmian chemicznych w obłoku materii gwiazdowej, z której powstały. Wyniki pomagają wyjaśnić, dlaczego gwiazdy zrodzone z tego samego obłoku molekularnego mogą mieć różny skład chemiczny i zawierać różne układy planetarne, a także stanowią wyzwanie dla obecnych modeli powstawania gwiazd i planet.
Szacuje się, że aż 85% gwiazd występuje w układach podwójnych, a niektóre nawet w układach składających się z trzech lub więcej gwiazd. Te pary gwiazd powstają razem z tego samego obłoku molekularnego z tej samej obfitości chemicznych elementów składowych, więc astronomowie spodziewaliby się, że mają prawie identyczny skład i układy planetarne. Jednak w przypadku wielu plików binarnych tak nie jest. Choć niektóre proponowane wyjaśnienia przypisują te różnice wydarzeniom zachodzącym po ewolucji gwiazd, zespół astronomów po raz pierwszy potwierdził, że mogą one faktycznie powstać jeszcze zanim gwiazdy zaczęły się formować.
Zespół kierowany przez Carlosa Saffe z Instytutu Nauk Astronomicznych, Ziemi i Kosmicznych (ICATE-CONICET) w Argentynie zespół wykorzystał teleskop Gemini South w Chile, będący połową Międzynarodowego Obserwatorium Gemini, częściowo wspieranego przez amerykańską Narodową Fundację Nauki i obsługiwany przez NSF NOIRLab. Za pomocą nowego, precyzyjnego spektrografu optycznego wysokiej rozdzielczości Gemini (GHOST) zespół zbadał różne długości fal światła, czyli widma, emitowane przez parę gigantycznych gwiazd, co ujawniło znaczące różnice w ich składzie chemicznym. „Niezwykle wysokiej jakości widma GHOST oferowały niespotykaną dotąd rozdzielczość” – powiedział Saffe, „umożliwiając nam pomiar parametrów gwiazdowych i składu chemicznego gwiazd z najwyższą możliwą precyzją”. Pomiary te wykazały, że jedna gwiazda zawierała większą ilość ciężkich pierwiastków niż druga. Aby rozwikłać przyczynę tej rozbieżności, zespół zastosował unikalne podejście.
Poprzednie badania proponowały trzy możliwe wyjaśnienia zaobserwowanych różnic chemicznych między gwiazdami podwójnymi. Dwa z nich obejmują procesy, które zachodzą na etapie ewolucji gwiazd: dyfuzja atomowa, czyli osadzanie się pierwiastków chemicznych w warstwach gradientowych w zależności od temperatury i grawitacji powierzchniowej każdej gwiazdy; oraz pochłonięcie małej, skalistej planety, co spowodowałoby zmiany chemiczne w składzie gwiazdy.
Trzecie możliwe wyjaśnienie sięga wstecz do początków powstawania gwiazd i sugeruje, że różnice wynikają z pierwotnych, czyli istniejących wcześniej obszarów niejednorodności w obłoku molekularnym. Mówiąc prościej, jeśli obłok molekularny ma nierównomierne rozmieszczenie pierwiastków chemicznych, wówczas gwiazdy powstałe w tym obłoku będą miały różny skład w zależności od tego, które pierwiastki były dostępne w miejscu, w którym każdy z nich powstał.
Jak dotąd badania wykazały, że wszystkie trzy wyjaśnienia są prawdopodobne; jednakże badania te skupiały się wyłącznie na plikach binarnych ciągu głównego. „Ciąg główny” to etap, w którym gwiazda spędza większość swojego istnienia, a większość gwiazd we Wszechświecie to gwiazdy ciągu głównego, w tym nasze Słońce. Zamiast tego Saffe i jego zespół zaobserwowali układ podwójny składający się z dwóch gigantycznych gwiazd. Gwiazdy te posiadają niezwykle głębokie i silnie turbulentne warstwy zewnętrzne, czyli strefy konwekcyjne. Ze względu na właściwości tych grubych stref konwekcyjnych zespół był w stanie wykluczyć dwa z trzech możliwych wyjaśnień.
Ciągłe wirowanie płynu w strefie konwekcyjnej utrudniałoby osadzanie się materii w warstwach, co oznacza, że gwiazdy-olbrzymy są mniej wrażliwe na skutki dyfuzji atomowej – co wyklucza pierwsze wyjaśnienie. Gruba warstwa zewnętrzna oznacza również, że pochłonięcie planety nie zmieniłoby znacząco składu gwiazdy, ponieważ pochłonięta materia uległaby szybkiemu rozcieńczeniu – co wyklucza drugie wyjaśnienie. To pozostawia pierwotne niejednorodności w obłoku molekularnym jako potwierdzone wyjaśnienie. „Po raz pierwszy astronomom udało się potwierdzić, że różnice między gwiazdami podwójnymi zaczynają się na najwcześniejszych etapach ich powstawania” – powiedziała Saffe.
„Wykorzystując możliwości precyzyjnych pomiarów, jakie zapewnia instrument GHOST, Gemini South gromadzi obecnie obserwacje gwiazd pod koniec ich życia, aby poznać środowisko, w którym się urodziły” – mówi Martin Still, dyrektor programowy NSF w Międzynarodowym Obserwatorium Gemini . „Daje nam to możliwość zbadania, w jaki sposób warunki, w jakich powstają gwiazdy, mogą wpływać na ich całe istnienie na przestrzeni milionów lub miliardów lat”.
Trzy konsekwencje tego badania są szczególnie istotne. Po pierwsze, wyniki te wyjaśniają, dlaczego astronomowie widzą gwiazdy podwójne w tak różnych układach planetarnych. „Różne układy planetarne mogą oznaczać bardzo różne planety – skaliste, podobne do Ziemi, lodowe i gazowe – które krążą wokół swoich gwiazd macierzystych w różnych odległościach i na których potencjał do podtrzymywania życia może być bardzo różny” – mówi Saffe.
Po drugie, wyniki te stanowią kluczowe wyzwanie dla koncepcji znakowania chemicznego – wykorzystania składu chemicznego do identyfikacji gwiazd pochodzących z tego samego środowiska lub żłobka gwiazdowego – pokazując, że gwiazdy o różnym składzie chemicznym mogą mieć to samo pochodzenie.
Wreszcie, konieczne będzie dokonanie przeglądu zaobserwowanych różnic, które wcześniej przypisywano wpływom planet na powierzchnię gwiazdy, ponieważ obecnie można je uznać za obecne od samego początku życia gwiazdy.
„Pokazując po raz pierwszy, że pierwotne różnice rzeczywiście istnieją i są odpowiedzialne za różnice między gwiazdami bliźniaczymi, pokazujemy, że powstawanie gwiazd i planet może być bardziej złożone, niż początkowo sądzono” – powiedziała Saffe. „Wszechświat kocha różnorodność!”