Polscy badacze wyjaśnili, jak mogło dojść do kosmicznej katastrofy obserwowanej w 2002 r. Zjawisko było astronomiczną sensacją

Miejsce kosmicznej katastrofy, którą obserwowano w 2002 roku, przeanalizowali naukowcy z zespołu kierowanego przez badaczy z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN (CAMK PAN). Użyli do tego celu sieci radioteleskopów ALMA.

W 2002 roku dostrzeżono wybuch gwiazdy w konstelacji Jednorożca, znanej jako V838 Monocerotis (w skrócie: V838 Mon). Obiekt szybko stał się astronomiczną sensacją. Jego jasność wzrosła tysiąckrotnie w kilka tygodni, udało się także zaobserwować tzw. efekt echa świetlnego (w wyniku rozproszenia światła z rozbłysku na ziarnach pyłu międzygwiezdnego). Zdjęcia tego efektu wykonane przy użyciu Kosmicznego Teleskopu Hubble’a są jedną z ikon współczesnej astrofotografii. W szczytowym momencie wybuchu V838 była jedną z najjaśniejszych gwiazd w całej Lokalnej Grupie Galaktyk, do której należy Droga Mleczna.

Przez kilka lat trwała debata nad wyjaśnieniem tego kosmicznego kataklizmu, bowiem jego przebieg nie pasował do znanych wcześniej kosmicznych eksplozji. Prof. Romuald Tylenda z toruńskiego oddziału CAMK PAN, wraz ze współpracownikami, zaproponował wyjaśnienie, iż doszło do zderzenia i koalescencji (zlania się w jeden obiekt) dwóch gwiazd. Obecnie ta hipoteza jest powszechnie akceptowana, a obiekty tego typu nazywa się czerwonymi nowymi.

„Dzięki przypadkowi V838 Monocerotis i podobnych obiektów wiemy, że złączenia (merdżery, ang. mergers) normalnych gwiazd rzeczywiście zachodzą w naszej i innych galaktykach, czyli ogólnie w kosmosie. I to zachodzą o wiele częściej niż merdżery czarnych dziur czy gwiazd neutronowych” – wskazuje prof. Tylenda.

Zespół naukowców, którym kieruje dr hab. Tomasz Kamiński (CAMK PAN), przeanalizował stan miejsca wybuchu V838 po kilkunastu latach od momentu obserwacji zdarzenia. Wykorzystano do tego wielką sieć radioteleskopów ALMA, pracującą na płaskowyżu Chajnantor w Chile i obsługiwaną m.in. przez Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO).

Mapy uzyskane dzięki interferometrowi ALMA pokazują dwie gwiazdy otoczone pyłem. Jedna z nich to pozostałość po samym zderzeniu, a druga to odległy towarzysz gwiazdowy, o którego istnieniu wiedziano od dawna, ale nie znano jego dokładnej lokalizacji. Z obserwacji ALMA wynika, że towarzysz znajduje się 250 jednostek astronomicznych od pozostałości po V838 Mon (czyli 250 razy dalej niż Ziemia od Słońca).

Oznacza to, że do zderzenia dwóch gwiazd doszło tak naprawdę w układzie potrójnym. Według ustaleń astronomów, w kolizji wzięły udział składniki wewnętrznego układu podwójnego, mające masy 8,0 oraz 0,4 masy Słońca. Z kolei oddalony towarzysz ma masę 8,0 mas Słońca i jest gorącą gwiazdą.

Dane z teleskopu ALMA pokazują również rozkład gazu molekularnego rozproszonego w trakcie erupcji obserwowanej w 2002 roku. Szczegóły widać dzięki emisji od molekuł CO, SiO, SO, SO₂, oraz AlOH. Materia, która została wyrzucona w trakcie kolizji gwiazd, porusza się z prędkościami ok. 200 km/s (720 tys. km/h) lub nawet większymi. Z wcześniejszych obserwacji wiadomo, że część tej materii dotarła w okolice gorącego towarzysza już w 2005 roku. Materia ta jest na tyle bogata w pył, że zupełnie zasłoniła światło widzialne emitowane przez towarzysza, więc jego obserwacje nie były możliwe w zakresie optycznym przez 14 lat. Na szczęście ALMA potrafi „widzieć” gwiazdy nawet poprzez gęste obłoki pyłu, a nawet – paradoksalnie – to dzięki obecności pyłu widać teraz tę gwiazdę na mapach z ALMA.

Według obserwacji z 2019 roku wyrzucona wcześniej materia dotarła daleko poza orbitę towarzysza i utworzyła sferycznie symetryczną mgławicę wokół V838 Mon. Jeśli jednak przyjrzeć się bliżej molekułom ujętym w obserwacjach ALMA, to widać, że niektóre z nich są obecne tylko w okolicy towarzysza, a inne właśnie tam zanikają. Jest to efekt zmiany składu chemicznego gazu, głównie na skutek fal uderzeniowych wywołanych oddziaływaniem grawitacyjnym gwiazdy na przepływającą wokół niej materię. Efekt ten jest znany z badań astrochemicznych, ale nigdy jeszcze nie był obserwowany tak bezpośrednio.

Czym różnią się czerwone nowe od innych rodzajów kosmicznych eksplozji? Jak tłumaczy dr hab. Tomasz Kamiński, energia wybuchu czerwonych nowych, czyli energia związana ze znacznym pojaśnieniem obiektu i wyrzutem materii, bierze się głównie z energii grawitacyjnej układu gwiazd. Odróżnia to czerwone nowe, czy ogólniej – zjawiska merdżerów, od wielu innych typów gwiezdnych wybuchów, takich jak nowe klasyczne czy supernowe, w przypadku których energia wybuchu pochodzi głównie z reakcji termojądrowych, które z kolei wymagają bardzo wysokich temperatur. Czerwone nowe nie wymagają tak wysokich temperatur i między innymi dlatego są bogate w pył i molekuły.

Zaledwie dwie dekady temu wydawało się, że obserwacje zderzeń gwiazd są niemożliwe. Dziś znanych jest już kilkanaście tego rodzaju obiektów, zarówno w naszej, jak i sąsiednich galaktykach.

„Spodziewamy się obserwować dużo więcej takich obiektów wraz z nową generacją obserwatoriów takich jak Vera C. Rubin Observatory” – wyraził nadzieję prof. Tylenda.

„Obiekty takie jak V838 Mon dają nam wgląd w najbardziej ekstremalną formę oddziaływań między gwiazdami, w tym tak zwaną fazę wspólnej otoczki (ang. common envelope). […] Mamy nadzieję, że badając szczegółowo V838 Mon i podobne przypadki zderzeń, dowiemy się, kiedy i dlaczego dochodzi do kolizji. Ważne jest też dowiedzieć się, jakiego rodzaju gwiazdy powstają na skutek takich zderzeń, bo podejrzewa się, że wiele znanych nam gwiazd powstało w ten sposób, np. Betelgeza czy gwiazda, która wybuchła jako Supernowa 1987A” – dodał dr hab. Tomasz Kamiński.

Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics”. W zespole badawczym z polskich ośrodków znajdowali się: Tomasz Kamiński (CAMK PAN, Toruń), Romuald Tylenda (CAMK PAN, Toruń), Aleksandra Kiljan (Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Warszawskiego), Mirosław Schmidt (CAMK PAN, Toruń), Krzysztof Lisiecki (Instytut Astronomii UMK, Toruń), Adam Frankowski (CAMK PAN, Toruń) oraz badacze z USA, Indii i Niemiec.

Źródło: PAP.