Jak umierają gwiazdy?

Polscy astronomowie odkryli niezwykłą supernową.

Już dawno odkryto, że masywne gwiazdy, kilkanaście lub kilkadziesiąt razy cięższe od Słońca, kończą zazwyczaj swój żywot spektakularnym wybuchem, emitując przy tym olbrzymią energię w postaci światła. Zjawisko to nazywane jest supernową. Jednakże niedawno dr Szymon Kozłowski, adiunkt w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego, wraz z polsko-amerykańskim zespołem naukowców, odkrył gwiazdę o masie równej około 50 mas Słońca, która wybuchła wysyłając w przestrzeń nie światło lecz ciepło. Obiekt nazwany SDWFS-MT-1/SN2007va, znajdujący się w galaktyce odległej o trzy miliardy lat świetlnych, w ciągu zaledwie 6 miesięcy wyemitował więcej energii niż Słońce przez całe swoje życie. Jednak temperatura tego promieniowania to zaledwie 700 stopni Celsjusza, podczas gdy temperatura Słońca to aż 6000 stopni. Dlaczego tak się stało? Okazało się, że gwiazda przed wybuchem wyrzuciła na zewnątrz olbrzymie ilości materii, w której utworzył się pył. Ten pył przesłonił eksplozję pochłaniając energię i wypromieniowując ją w postaci ciepła.

Dr Szymon Kozłowski patrzy w gwiazdy. Zdjęcie zrobiono w obserwatorium Las Campanas w Chile.

Tak osobliwy przypadek został odkryty po raz pierwszy i właśnie dzięki swej wyjątkowości jest niezwykle ciekawy. Astronomowie nie spodziewali się odkrycia gwiazdy supernowej o takich własnościach.
Więcej na ten temat można znaleźć TU
Obserwacji odkrytego obiektu dostarczył Teleskop Kosmiczny Spitzera.

Teleskop Kosmiczny Spitzera – grafika

Po opublikowaniu tego odkrycia ktoś z moich znajomych zwrócił się do zaprzyjaźnionego astronoma z kilkoma pytaniami. Odpowiedzi wydają mi się na tyle interesujące, że postanowiłem się podzielić nimi z czytelnikami Nowego Ekranu. Zdecydowałem się pozostawić kolokwialny język prywatnej korespondencji, chyba autor się na mnie nie obrazi, bo w tej formie tekst zdaje się bardziej przystępny.

1. Dlaczego dopiero teraz zauważyliśmy takie rzeczy?
Bo były zasłonięte. Jeśli gwiazda jest tak osłonięta przez pył, to nawet bardzo duży wybuch nie może się przebić. Pył jest podgrzewany, w miarę jak światło się przeciska przez niego. Grubość optyczna jego warstwy jest duża, co oznacza, że fotony nie mają swobodnej drogi na zewnątrz, tylko wpadają na cząstki podgrzewając je. Te z kolei reemitują światło w postaci większej liczby fotonów, ale chłodniejszych. To się nazywa reprocesowanie światła przez pył. Efekt jest taki, że nie widzimy źródła wprost, nie przebijają się gorące fotony ultrafioletowe lub optyczne – wydostają się tylko fotony podczerwone, niewidoczne dla ludzkiego oka. Każdy niesie mniej energii, ale za to jest ich bardzo dużo – w sumie tyle samo co wybuchło. Całkowita energia zaobserwowana przez teleskop Spitzera była równa 10⁵¹ ergow, czyli energia bardzo dużej supernowej, ale cała w podczerwieni. Zobaczyliśmy to dopiero teraz, dlatego że dopiero teraz mamy teleskopy podczerwone – trzeba wylecieć w kosmos żeby zobaczyć podczerwień, bo jest ona pochłaniana przez parę wodną w atmosferze. A pierwszy teleskop podczerwony z prawdziwego zdarzenia to Teleskop Spitzera, który zaobserwował to zjawisko. Kolejne teleskopy tego typu dopiero niedawno rozpoczęły swoje obserwacje: Hershell  i WISE.

Grafiki przedstawiające Kosmiczne Obserwatorium Herschela – po lewej i Kosmiczny Teleskop WISE – po prawej

Szymon odkrył ten wybuch dlatego, że lubi szukać nowych rzeczy. Wielu astronomów robi obserwacje żeby zbadać obiekty znane wcześniej. Badają je, a potem upubliczniają resztę danych na których pracowali, aby inni astronomowie mogli zbadać pozostałe obiekty znajdujące się w danych, którymi oni z kolei się interesują. Ale nieliczni szukają zupełnie nieznanych zjawisk. On znalazł ten ciekawy obiekt w publicznych danych, dostępnych po prostu w internecie.

2. A dlaczego masywne gwiazdy wyrzucają pył?
Gwiazdy wyrzucają materiał gdy są bardzo jasne, duże i chłodne – wtedy bardzo dużo światła się przez nie przeciska, i to światło wydmuchuje z nich gaz i pył. To że są duże, a właściwie rozdęte, sprawia że są rzadsze, co pomaga światłu wydostać się na zewnątrz. Z kolei rozdęte oznacza też, że zewnętrzne warstwy są daleko od centrum gwiazdy, co pomaga materii uwolnić się od gwiazdy macierzystej. Efekt jest taki, że gwiazda jest otoczona chmurą pyłu i gazu, którą sama wyrzuciła.
Z kolei supermasywne gwiazdy wyrzucają materiał nie tylko w sposób ciągły, ale czasem skokowy, tworząc, ciągle oddalające się, warstwy pyłu wokół siebie. Mechanizm tego zjawiska nie jest jeszcze znany, lecz widzimy takie przypadki. Jednym z nich jest gwiazda Eta Carinae – bardzo jasna, bardzo duża i otoczona pyłem. Dzięki niemu, jest też bardzo jasna w podczerwieni. Ostatni duży wyrzut materii z niej był zarejestrowany około 1850 roku – teraz wygląda tak:

Eta Carinae w gwiazdozbiorze Kila

3. Czy wszystkie gwiazdy wyrzucają pył?
Nie, pyłu nie produkują gwiazdy bardzo jasne, duże i gorące jednocześnie. Aby powstał pył, atmosfera gwiazdy musi być w miarę chłodna.
Małe i niezbyt jasne gwiazdy, takie jak Słońce, również nie produkują pyłu.
Słońce cały czas wysyła z siebie wiatr słoneczny. To są przyspieszone przez światło cząstki gazu. Nie jest też stare, więc nie zdążyło zbudować wielu pierwiastków ciężkich, które stworzyłyby pył w jego atmosferze. Jest też zwarte i gorące, wiec ziarenka pyłu i tak by się rozpadły – stopiły. Ale gwiazdy stare – czerwone olbrzymy – już sieją pyłem. Są rozdęte (stąd olbrzymy) i powoli się rozdmuchują. Ich zewnętrzne warstwy są chłodne, stąd nazwa – czerwone. Większość z nich rozdmucha się cała. W końcowym okresie życia gwizdy, otoczka coraz bardziej rośnie i powoli zewnętrzne warstwy są rozrzucane w przestrzeń, wzbogacając Galaktykę w materiał do budowy układów planetarnych. W pewnym momencie skończy się paliwo w jadrze i jadro niepodtrzymywane przez ciśnienie promieniowania zapadnie się. To da ostateczny impuls do odrzucenia całej reszty otoczki i utworzy mgławicę (zwaną planetarną) a wokół zostanie gorące, małe, zwarte jądro (biały karzeł). Z czasem i mgławica się rozdmucha. Tak żyją zwykłe gwiazdy, np. Słońce.

Masywne gwiazdy natomiast nim się rozdmuchają, to „hukną”. I mamy supernowe (około połowę supernowych, druga połowa pochodzi zapewne z gwiazd podwójnych). Jeśli nawet mają trochę materiału naokoło, to go łatwo rozrzucą.

Pozostałość po wybuchu supernowej w 1604 roku, odkrytej przez Johannesa Keplera.

Żeby wyprodukować supernową, która się zasłoni, trzeba wyrzucić kilka bardzo masywnych warstw zanim dojdzie do ostatecznego wybuchu. W przypadku SN2007va każda otoczka ważyła około 10 mas Słońca. Oczywiście składała się i z gazu i z pyłu, ale mówimy o niej pyłowa, dlatego ze promieniowanie pyłu dominuje.

Teoria jest taka, że pod koniec swojego krótkiego życia, niektóre supermasywne gwiazdy wyrzucają z siebie materiał. Myślimy, że dzieje się to mniej płynnie, a bardziej skokowo. Powstają warstwy materiału, które otaczają gwiazdę. Ponieważ widzimy jedną taką gwiazdę w naszej Galaktyce, Eta Carinae, to jest szansa, że teoria jest prawdziwa i ze Eta Carinae wybuchnie niedługo podobnie.
Ponieważ te wyrzuty są masywne, to nie może ich być więcej niż kilka. Powiedzmy że co kilkaset lat taka gwiazda coś wyrzuca i po kilku takich razach – „bum”.

Teraz gdy ludzie wiedzą, że takie rzeczy istnieją, mogą zacząć ich szukać. Zarówno więcej wybuchów będzie można znaleźć nowymi teleskopami, jak i będzie można szukać więcej takich gwiazd, które są tuż przed wybuchem. Dotyczy to supermasywnych gwiazd (50-100 mas Słońca) – jeśli duża część z nich się przed nami chowa, to jest to interesujące.

Ilustracja wprowadzająca pochodzi  stąd.