Supernowe – eksplozje gwiazd jasne jak cała galaktyka – fascynują nas od niepamiętnych czasów. Jednak supernowych ubogich w wodór jest więcej, niż astrofizycy są w stanie wyjaśnić. Teraz nowy adiunkt w austriackim Instytucie Nauki i Technologii (ISTA) odegrał kluczową rolę w identyfikacji brakującej populacji gwiazd prekursorowych. Wyniki, opublikowane obecnie w czasopiśmie Science, nawiązują do rozmowy, którą zaangażowani profesorowie odbyli wiele lat temu jako młodsi naukowcy.
Niektóre gwiazdy nie tylko umierają, ale eksplodują w gwiezdnym wybuchu, który może przyćmić całe galaktyki. Te kosmiczne zjawiska, zwane supernowymi, rozprzestrzeniają światło, pierwiastki, energię i promieniowanie w przestrzeni kosmicznej oraz wysyłają galaktyczne fale uderzeniowe, które mogą ściskać obłoki gazu i generować nowe gwiazdy. Innymi słowy, supernowe kształtują nasz wszechświat. Wśród nich ubogie w wodór supernowe powstałe z eksplodujących masywnych gwiazd od dawna intrygują astrofizyków. Powód: naukowcom nie udało się wskazać swoich prekursorów. To prawie tak, jakby te supernowe pojawiły się znikąd.
„Istnieje znacznie więcej supernowych ubogich w wodór, niż są w stanie wyjaśnić nasze obecne modele. Albo nie będziemy w stanie wykryć gwiazd dojrzewających na tej ścieżce, albo będziemy musieli zrewidować wszystkie nasze modele” – mówi adiunkt ISTA Ylva Götberg. Była pionierką tej pracy wraz z Marią Drout, członkiem stowarzyszonym Instytutu Astronomii i Astrofizyki Dunlap na Uniwersytecie w Toronto, Kanada. „Pojedyncze gwiazdy zazwyczaj eksplodowałyby jako supernowe bogate w wodór. Uboga w wodór wskazuje, że gwiazda prekursorska musiała utracić grubą, bogatą w wodór otoczkę. Dzieje się to naturalnie w przypadku jednej trzeciej wszystkich masywnych gwiazd w wyniku rozerwania otoczki przez podwójną gwiazdę towarzyszącą, – mówi Götberg. Teraz Götberg i Drout połączyli swoje obszary wiedzy specjalistycznej w zakresie modelowania teoretycznego i obserwacji, aby wytropić brakujące gwiazdy. Ich misja kończy się sukcesem: dokumentują pierwszą w swoim rodzaju populację gwiazd, która w końcu wypełnia dużą lukę w wiedzy i rzuca światło na pochodzenie supernowych ubogich w wodór.
Gwiazdy podwójne i usuwanie kopert
Gwiazdy, których szukają Götberg i Drout, łączą się w pary: splecione w układzie podwójnym. Niektóre układy podwójne są dobrze znane nam, Ziemianom: jest to najjaśniejsza gwiazda na naszym nocnym niebie, Syriusz A, i jej słaba gwiazda towarzysząca Syriusz B. Układ podwójny Syriusza znajduje się zaledwie 8,6 lat świetlnych od Ziemi – rzut kamieniem w kategoriach kosmicznych. To wyjaśnia obserwowaną jasność Syriusza A na naszym nocnym niebie.
Astrofizycy spodziewają się, że brakujące gwiazdy początkowo uformują się z masywnych układów podwójnych. W układzie podwójnym gwiazdy krążyłyby wokół siebie, dopóki gruba, bogata w wodór otoczka masywniejszej gwiazdy nie rozszerzy się. W końcu rozszerzająca się otoczka doświadcza silniejszego przyciągania grawitacyjnego w kierunku gwiazdy towarzyszącej niż do własnego jądra. Powoduje to rozpoczęcie przenoszenia masy, co ostatecznie prowadzi do usunięcia całej bogatej w wodór powłoki, pozostawiając odsłonięty gorący i zwarty rdzeń helu – ponad 10 razy gorętszy niż powierzchnia Słońca. Właśnie tego typu gwiazd szukają Götberg i Drout. „Przewiduje się, że gwiazdy helowe o średniej masie pozbawione interakcji binarnych odegrają ważną rolę w astrofizyce. Jednak nie zaobserwowano ich aż do teraz” – mówi Götberg. W rzeczywistości istnieje znaczna różnica w masie pomiędzy znanymi klasami gwiazd helowych: masywniejsze gwiazdy Wolfa-Rayeta (WR) mają masę ponad 10 razy większą od masy Słońca, a małomasywne gwiazdy podkarłowate mogą mieć około połowy masy Słońca . Jednak modele przewidywały, że prekursory supernowych ubogich w wodór po odpędzeniu będą miały masę od 2 do 8 mas Słońca.
Nie tylko igła w stogu siana
Przed badaniami Götberga i Drouta tylko jedna gwiazda spełniała oczekiwane kryteria masy i składu i została nazwana „Quasi-WR” (lub „Prawie Wolf-Rayet”). „Jednak gwiazdy podążające tą ścieżką mają tak długi czas życia, że wiele z nich musi być rozproszonych po całym obserwowalnym wszechświecie” – mówi Götberg. Czy naukowcy po prostu ich „nie widzieli”? W ten sposób Götberg i Drout skorzystali z uzupełniającej się wiedzy specjalistycznej. Za pomocą fotometrii UV i spektroskopii optycznej zidentyfikowali populację 25 gwiazd zgodną z oczekiwaniami dotyczącymi gwiazd helowych o średniej masie. Gwiazdy znajdują się w dwóch dobrze zbadanych sąsiednich galaktykach, Wielkim i Małym Obłoku Magellana. „Wykazaliśmy, że te gwiazdy są bardziej niebieskie niż linia narodzin gwiazdy, najbardziej niebieska faza w życiu pojedynczej gwiazdy. Pojedyncze gwiazdy dojrzewają poprzez ewolucję w kierunku bardziej czerwonego obszaru widma. Gwiazda przesuwa się w przeciwnym kierunku tylko wtedy, gdy usuwa się jej zewnętrzne warstwy- coś, co, jak się oczekuje, będzie powszechne w oddziałujących gwiazdach podwójnych i rzadkie wśród pojedynczych masywnych gwiazd” – wyjaśnia Götberg.
Następnie naukowcy zweryfikowali populację gwiazd kandydujących za pomocą spektroskopii optycznej: wykazali, że gwiazdy mają silne sygnatury widmowe zjonizowanego helu. „Silne linie zjonizowanego helu mówią nam dwie ważne rzeczy: po pierwsze, potwierdzają, że w najbardziej zewnętrznych warstwach gwiazd dominuje hel, a po drugie, że ich powierzchnia jest bardzo gorąca. To właśnie dzieje się z gwiazdami pozostawionymi jako odsłonięty, zwarty hel bogaty rdzeń po odpędzeniu” – mówi Götberg. Jednak obie gwiazdy w układzie podwójnym mają swój udział w obserwowanych widmach. Zatem technika ta umożliwiła naukowcom sklasyfikowanie populacji kandydatów w zależności od tego, która gwiazda miała największy udział w widmie. „Ta praca pozwoliła nam znaleźć brakującą populację gwiazd pozbawionych helu o masach pośrednich, przewidywanych przodków supernowych ubogich w wodór. Te gwiazdy istniały zawsze i prawdopodobnie jest ich o wiele więcej. Musimy po prostu znaleźć sposoby znaleźć” – mówi Götberg. „Nasza praca może być jedną z pierwszych prób, ale powinny istnieć inne możliwości”.
Od absolwentów na konferencji po liderów grup
Pomysł na ten projekt zrodził się w dyskusji po przemówieniu Götberga na konferencji, w której ona i Drout uczestniczyli w czasie studiów podyplomowych. Obaj naukowcy, wówczas początkujący badacze sięgający gwiazd, są obecnie liderami grup w swojej dziedzinie. Götberg dołączyła do ISTA we wrześniu po badaniach w Obserwatoriach Carnegie w Pasadenie w Kalifornii jako stażysta podoktorski NASA Hubble. W ISTA Götberg dołącza do rosnącego grona młodych liderów grup zajmujących się astrofizyką w Instytucie i prowadzi własną grupę zajmującą się badaniem interakcji układów podwójnych gwiazd.
Praca ta, kierowana przez Marię R. Drout (Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, University of Toronto, Kanada) i Ylvę Götberg (Instytut Nauki i Technologii Austria, ISTA), została wykonana we współpracy z Obserwatoriami Carnegie Institution for Science (Pasadena, USA) i Instytut Astrofizyki Maxa Plancka (Garching, Niemcy).