8 Minutės
Atrodo paprastas raudonas milžinas, besisukantis aplink nematomą palydovą Gaia BH2 sistemoje, verčia iš naujo galvoti apie žvaigždžių senėjimą ir evoliuciją. Jo cheminis antspaudas rodo „senovinę" kilmę, tuo tarpu vidinis laikrodis ir sukimosi dinamika byloja apie „vidutinį amžių" — tokia neatitikčių kombinacija nurodo į smurtinę praeitį ar intensyvias binarines sąveikas. Šis atradimas susieja įvairias astronomijos sritis: asterozeizmologiją, spektrinę analizę, binarinę evoliuciją ir juodųjų skylių populiacijų studijas, ir kelia konkrečius klausimus apie tai, kaip masės perdavimas ar susijungimai gali „suklastoti" žvaigždės amžių ir cheminę istoriją.
Paslaptingas amžiaus neatitikimas: chemija prieš žvaigždžių „širdies dūžius"
Kai astronomai analizuoja žvaigždės šviesą, jie perskaito ilgą biografiją: paviršiaus temperatūrą, elementų gausą, jonizacijos žymes ir požymius apie ankstesnius vystymosi etapus. Gaia BH2 akompanjonas pasižymi stipriu alfa elementų pertekliaus ženklu — alfa elementai (pvz., deguonis, neonas, magnis, silicis) susidaro didžiųjų pradinių žvaigždžių supernovose ir dažniausiai yra būdingi senesnėms, ankstyvoms galaktikos populiacijoms. Tokia chemija, jei vertinama izoliuotai, paprastai nurodytų į maždaug dešimties milijardų metų amžių, atitinkantį senesnių žvaigždžių populiacijas ir tam tikrą žemesnį geležies santykį (metališkumą).
Vis dėlto NASA TESS palydovas „išklausė" žvaigždės subtilius šviesos virpesius — vadinamuosius žvaigždės drebėjimus arba starquakes — ir pateikė skirtingą diagnozę. Asterozeizmologija, tirianti šiuos virpesius, atskleidė branduolio ir vidinių sluoksnių parametrus, kurie labiau atitinka maždaug penkių milijardų metų amžių. Tokie asteroseizmologiniai rodikliai — dažnių atskyrimas (Delta nu), nu_max ir mišrių režimų charakteristikos, leidžiančios atskirti raudono milžino šaką nuo branduolio heliu užsidegusio etapo — suteikia tiesioginę informaciją apie žvaigždės masę ir evoliucinę būseną. Daniel Hey, naujo tyrimo Astrophysical Journal vyriausias autorius, pastebėjo, kad jaunos, alfa-turtingos žvaigždės yra retos ir painios; tokia jauno amžiaus ir senovinės chemijos kombinacija rodo, jog ta žvaigždė tikriausiai vystėsi neizoliuotai, o patyrė išorines sąveikas arba masės pokyčius, pakeitusius jos paviršinę cheminę sudėtį ir vidinį laikrodį.
Gaia BH2 (UCAC4 154-126202) (centre) yra dvinarė sistema, sudaryta iš žvaigždės ir žvaigždės masės juodosios skylės.
Kaip astronomai ištyrė žvaigždę ir ką rado
Tyrėjų komanda sujungė erdvėje atliktą asterozeizmologiją su precizine žemės stebėjimų spektroskopija. Asterozeizmologija veikia panašiai kaip žemės drebėjimų seismologija: vidaus virpesiai neša informaciją apie vidinę tankio stratifikaciją, temperatūros gradientus ir branduolio masę. Redonam milijonams žvaigždėms atlikus nuoseklias TESS, Kepler ar kitas fotometrines kampanijas, galima išgauti modalinius periodus ir dažnio skirtumus, kurie, kartu su spektroskopiniais parametrais, leidžia tiksliai nustatyti žvaigždės evoliucinę būseną ir masę. Spektroskopija papildė įžvalgas nurodydama paviršiaus cheminių elementų santykius, metalitiškumą ([Fe/H]), alfa elementų perteklių ([alpha/Fe]) ir radialinio greičio variacijas, kurios gali atskleisti binarinę orbitą ir masės balansą.
Tokio tipo tarpdisciplininiai metodai — asteroseizmologija + spektrinė analizė + astrometrija — suteikė neįprastai tikslius apribojimus žvaigždės tikrajai evoliucinei padėčiai. Be to, išplėstinės asteroseizmologinės charakteristikos (pvz., periodinės erdvės analizė, mišrių režimų savybės ir dažnių asimetrija) leido atskirti, ar raudonas milžinas yra pirmojo raudonio laipsnio stadijoje (RGB), ar branduolinis helio degimo etape (red clump), o tai turi tiesioginę įtaką amžiaus interpretacijai.
Sukimasis atskleidžia paslėptą impulsų perdavimą
Dar vienas netikėtumas: raudonas milžinas užbaigia savo sukimąsi maždaug per 398 dienas — greičiau, nei būtų tikėtasi izoliuotai žvaigždei su panašiais parametrais. Kai žvaigždės plečiasi ir pereina į raudoną milžiną, jos paprastai praranda kampinį momentą, todėl paviršiaus sukimosi greitis smarkiai lėtėja. Netinkamai didesnis sukimosi greitis rodo, kad į sistemą buvo įvestas papildomas kampinis momentas arba masė: galimai per susijungimą (coalescence), reikšmingą masės perdavimą per Roche'o kritimą arba perbėgimą iš artimo palydovo, arba per dinaminius procesus, susijusius su juodosios skylės susidarymu ar supernovos įsiveržimu antriniam komponentui.
Sukimosi greitis taip pat gali būti išmatuotas per spektrinį linijų plitimą (v sin i) ir per asteroseizmologinius pėdsakus, kurie atspindi vidinį diferencialinį sukimąsi tarp branduolio ir išorinės mantijos. Stebimas spartesnis paviršiaus sukimasis suderinamas su scenarijumi, kuriame išorinė sluoksnių masė buvo papildyta ir įgijo kampinį momentą nuo kito kūno — tai yra stiprus įrodymas apie praeities sąveikas ar smurtinį įvykį sistemos evoliucijoje.
Tikėtina kilmė: susijungimai arba smurtinis masės perdavimas
Labiausiai tikėtini paaiškinimai remiasi žvaigždžių „smurtu" ar intensyviu masės mainų procesu. Viena hipotezė teigia, kad raudonas milžinas anksčiau susijungė su kitu žvaigždiniu palydovu — tokia koalescencija gali „atjauninti" žvaigždę: ji praranda dalį gautos medžiagos energijos, tačiau įgyja masę ir kampinį momentą, todėl asteroseizmologija rodytų mažesnį amžių nei leistų paviršinė chemija. Kita galimybė — raudonas milžinas perėmė reikšmingą medžiagą, kai susiformavo dabartinė juodoji skylė: jei ankstesnis palydovas sprogo kaip supernova arba subliuvo į juodąją skylę, dalis išmestos medžiagos galėjo nukristi ant likusios žvaigždės arba būti perimta per koncentruotus vėjų srautus. Abi situacijos prisideda prie žvaigždės masės padidėjimo ir kampinio momento injekcijos, taip pat gali pakeisti paviršiaus elementų gausas ir suteikti alfa-turtingą, tačiau „jaunesnę" išvaizdą.
Techninės binarinės evoliucijos kanalai, tokie kaip Roche'o lobe perpildymas (RLOF), bendrojo apvalkalo (common envelope) fazė, vėjo akrecija arba net dinaminės trijų kūnų tarpusavio sąveikos, gali paaiškinti, kaip medžiaga pasiekė raudonąjį milžiną. Kiekvienas mechanizmas turi skirtingus laipsnio, trukmės ir cheminių pėdsakų pasekmes: RLOF dažnai palieka specifinius paviršinius elementų santykius ir reikšmingą kampinį momento perdavimą; bendrasis apvalkalas gali suglaudinti orbitą iki susijungimo arba eikvoti energiją ir masę; vėjo akrecija paprastai yra švelnesnė, bet ilgesnė ir galinti keisti paviršinę metalitiškumą palaipsniui. Pasirenkant tarp šių scenarijų, komanda naudojo observacinius rodiklius — sukimąsi, asteroseizmologinius parametrus, paviršinę chemiją ir orbitos savybes, nustatytas per Gaia astrometriją bei žemės spektroskopiją.
Gaia BH2 klasifikuojama kaip uždara (dormant) juodosios skylės sistema: juodoji skylė šiuo metu neaktyviai akreuoja ir praktiškai neišskiria rentgeno spindulių. Jos tamsus buvimas atskleidžiamas per matomos žvaigždės judesio mažytį „išsišokimą" (wobble), kurį itin tiksliai aptiko Europos kosminė agentūra ESA vykdoma Gaia misija. Astrometrinė technika, matuojanti žvaigždžių padėtis ir judėjimą milimetro ar mikrometrų tikslumu kampinės padėties plotuose, atvėrė naują tyliai egzistuojančių, žvaigždės masės juodųjų skylių populiaciją, kurios nebūtų aptiktos tradicinėmis rentgeno ar radio metodikomis.
Menininko vizija, kaip ESA Gaia palydovas stebi Paukščių Taką.
Pasekmės ir tolesni veiksmai
Šis atradimas turi kelias platesnes pasekmes astrofizikai ir žvaigždžių evoliucijos modeliams. Pirma, jis iliustruoja, kaip binarinės sąveikos, susijungimai ir masės perdavimai gali „užmaskuoti" tikrą žvaigždės amžių ir cheminę istoriją: paviršinės cheminės žymės, kurios tradiciškai buvo traktuojamos kaip amžiaus indikatoriai (ypač alfa elementų perteklius), gali būti iš dalies pakeistos išorinių įvykių. Antra, užgestos juodosios skylės palydovai gali išsaugoti įrodymus apie praeities susidūrimus arba akreciją, kurie būtų sunaikinti ar užmaskuoti aktyviose, spinduliuojančiose sistemose. Tokios sistemos tampa „laikmenimis" praeities dinamikai ir leidžia patikrinti sudėtingas binarinės evoliucijos prognozes, įskaitant gyventojų sintezę ir galaktikos cheminės evoliucijos modelius.
Tyrėjų komanda taip pat nagrinėjo Gaia BH3, kur numatytų virpesių aptikti nepavyko — tai kelia abejonių dėl dabartinių modelių taikymo itin metalafiškiems (metal-poor) palydovams arba rodo, kad asteroseizmologiniai signalai gali būti slopinami tam tikromis paviršinėmis sąlygomis ar geometrijos efektais. Reikalinga modelių peržiūra, kuri apimtų platesnį masės perdavimo ir susijungimų spektrą, taip pat reikšmę observaciniams požymiams, tokiems kaip periodinė fotometrija ar radijo bei rentgeno tylos priežastys.
Ateities TESS kampanijos su ilgesniais laiko intervalais (longer baselines) padidins galimybes aptikti silpnesnius oscilacijos signalus ir tiksliau išmatuoti sukimąsi bei asteroseizmologinius parametrus Gaia BH2 bei panašioms sistemoms. Kartu su plataus lauko spektroskopiniais tyrimais (pvz., APOGEE, GALAH, LAMOST) ir tolimesne Gaia astrometrija bus galima patikrinti susijungimo hipotezę, įvertinti masės ir kampinio momento keitimo mastą ir kiekybiškai nustatyti, kiek dažnai tokie smurtiniai istorijos epizodai pasitaiko tarp ramiai egzistuojančių juodųjų skylių binarų. Ateities misijos, tokios kaip ESA PLATO — skirtos asteroseizmologijai ir tiksliam žvaigždžių parametrų nustatymui — taip pat prisidės prie žvaigždžių amžiaus ir masės problematikos aiškinimo.
Atraskime platesnį kontekstą: šie rezultatai turi įtakos Paukščių Tako populiacijų analizėms ir galaktikos cheminės evoliucijos rekonstrukcijai, nes alfa-pertekliaus interpretacija kaip vienintelio seno amžiaus ženklo tampa mažiau patikima be informacijos apie galimas binarines invazijas. Tokiu būdu kombinuotos asteroseizmologijos, spektroskopijos ir astrometrijos kampanijos ne tik išplečia žinomų juodųjų skylių populiaciją, bet ir skatina atnaujinti teorinius modelius apie žvaigždžių sąveikas bei masės perdavimo mechanizmus.
Apibendrinant, Gaia BH2 atvejis yra aiškus pavyzdys, kaip tarpusavyje susipynę stebėjimai ir teoriniai modeliai gali atskleisti netikėtas žvaigždžių evoliucijos trajektorijas. Tolesni stebėjimai ir platesnės duomenų sankaupos padės patikslinti kilmės scenarijus, įvertinti, kiek panašių „suklastotų" amžių yra tarp tylių juodųjų skylių binarų ir kaip dažnai binarinės sąveikos formuoja neįprastas chemines ir asteroseizmologines žymes. Tai — dalis platesnio pastangų srauto, siekiančio atskleisti žvaigždžių bei juodųjų skylių istorijas, kurios iki šiol buvo paslėptos už ramios astrometrinės tylos.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą