Polska astronom przewidziała istnienie nowego typu gwiazd!

Astronomowie znają dziesiątki, jeśli nie setki rodzajów gwiazd. Najprzeróżniejsze karły, olbrzymy, nadolbrzymy, gwiazdy podwójne i wielokrotne, obiekty pulsujące regularnie i nieregularnie... Większość z tych typów została odkryta obserwacyjnie, a teoretycy próbują wyjaśnić ich właściwości. Zdarza się jednak, że jakiś rodzaj gwiazd zostaje przewidziany teoretycznie, a dopiero później dostrzeżony przez teleskopy. Czasami na potwierdzenie tych przewidywań trzeba czekać wiele lat. Tak właśnie było z obiektami przewidzianymi przez duet astrofizyków: Amerykanina Kipa Thorne'a i Polkę Annę Żytkow.

Gwiazdy rodzą się w obłokach międzygwiazdowych, w których część materii zaczyna się zagęszczać i rozgrzewać. Gdy temperatura w środku takiego zgęszczenia osiągnie wartość ponad 10 milionów kelwinów, zaczynają zachodzić reakcje fuzji termojądrowej. Przekształcają one wodór (pierwiastek najobficiej występujący we Wszechświecie) w hel i wydzielają ogromne ilości energii. Jest to najdłużej trwający okres w życiu gwiazdy, zwany fazą ciągu głównego. Kiedy wodór w jądrze gwiazdy ulegnie wyczerpaniu, obszar fuzji tego pierwiastka przenosi się do cienkiej warstwy na zewnątrz. W tym czasie jądro się kurczy, a otoczka rozdyma. Gwiazda staje się olbrzymem.

Następny etap to rozpoczęcie fuzji w jądrze, w wyniku której z helu powstają węgiel i tlen. Gdy zapas helu w jądrze również się skończy, mamy powtórkę poprzedniej sytuacji: fuzja helu zaczyna zachodzić w cienkiej warstwie wokół jądra. W warstwie położonej jeszcze dalej od centrum nadal trwa fuzja wodoru. Zewnętrzne warstwy rozdymają się jeszcze bardziej i gwiazda przechodzi w fazę nadolbrzyma.

Dalszy ciąg ewolucji zależy od masy gwiazdy. Obiekty, których masa nie przekracza ośmiu mas Słońca, odrzucają otoczki, z których tworzą się rozległe mgławice planetarne. Obnażone gęste jądra są początkowo bardzo gorące, ale nie produkują już energii i powoli stygną. Takie obiekty o rozmiarach zbliżonych do Ziemi astronomowie nazywają białymi karłami. A zatem można powiedzieć, że nadolbrzym to gwiazda o rozdętej otoczce, której jądrem jest (przyszły) biały karzeł.

Mgławica planetarna Kocie Oko (fot. NASA)

W gwiazdach bardziej masywnych temperatura „białego karła” znajdującego się w środku staje się w pewnym momencie tak wielka, że zaczyna w nim zachodzić fuzja węgla i tlenu. W wyniku tego powstają coraz cięższe pierwiastki aż do żelaza włącznie. Dalsze reakcje termojądrowe, w których brałoby udział żelazo, nie wydzielałyby energii, a odwrotnie – wymagałyby jej dostarczenia. Kiedy więc powstanie jądro zbudowane z żelaza, ustaje w nim produkcja energii, która dotychczas podtrzymywała strukturę gwiazdy. Jądro zaczyna się gwałtownie zapadać. Wydzielona w tym procesie energia grawitacyjna rozrywa otoczkę na strzępy, a gwiazda wybucha jako supernowa. Z jądra powstaje gwiazda neutronowa o masie podobnej do Słońca, ale o średnicy wynoszącej zaledwie około 20 kilometrów.

Pozostałość po wybuchu supernowej - mgławica Krab (fot. NASA)

Thorne i Żytkow w opublikowanej w 1975 roku pracy zasugerowali, że oprócz „normalnych” nadolbrzymów, w których jądrem jest biały karzeł, mogą istnieć też takie, w których jądrem jest... gwiazda neutronowa. Na pozór wydaje się to niemożliwe. Przecież gwiazdy neutronowe rodzą się w trakcie wybuchów supernowych, które rozrywają zewnętrzne części nadolbrzymów – jak więc taki obiekt mógłby powstać?

Wydaje się, że mógłby się on uformować w trakcie ewolucji specyficznego układu podwójnego gwiazd, w którym cięższy składnik ma masę przekraczającą 8 mas Słońca. Ewoluuje on szybciej od swego towarzysza i wybucha jako supernowa, pozostawiając po sobie gwiazdę neutronową. Drugi składnik, początkowo mniej masywny, ewoluuje wolniej. Kiedy jego otoczka staje się wystarczająco duża, zaczyna przelewać materię na gwiazdę neutronową. Ta po pewnym czasie grzęźnie w tej materii i, spiralując, osiada w centrum drugiej gwiazdy. Powstaje nadolbrzym z jądrem będącym gwiazdą neutronową. Nadolbrzymy takie nazwano obiektami Thorne-Żytkow (ang. Thorne-Żytkow objects; TŻO).

Jak jednak odróżnić TŻO od zwykłych nadolbrzymów? Przez teleskopy widzimy przecież tylko zewnętrzne warstwy gwiazd; nie możemy zajrzeć do ich środka. Odpowiedź daje porównanie modeli komputerowych wnętrza TŻO i normalnych nadolbrzymów. W tych pierwszych wyższa jest temperatura cienkich warstw, w których przebiega fuzja. Dzięki temu mogą tam zachodzić również dodatkowe reakcje termojądrowe, które nie są istotne dla bilansu energetycznego gwiazdy, ale wytwarzają niektóre pierwiastki ciężkie. Konwekcja (mieszanie materii), która występuje w otoczkach TŻO, wynosi te pierwiastki na powierzchnię. W normalnych nadolbrzymach, ze względu na niższą temperaturę cienkich warstw, takie reakcje termojądrowe nie zachodzą. A zatem, jeśli chcemy wypatrzyć TŻO, powinniśmy szukać nadolbrzymów o nietypowym składzie chemicznym ich atmosfer.

Przez wiele lat obiekt taki nie został jednak znaleziony. Dopiero w tym roku kierowany przez Emily M. Levesque zespół (do którego należy też Anna Żytkow) doniósł o analizie obserwacji kilkudziesięciu nadolbrzymów w Dużym i Małym Obłoku Magellana – dwóch galaktykach karłowatych, będących satelitami naszej Drogi Mlecznej. Widma tych gwiazd otrzymano za pomocą 6,5-metrowego teleskopu w Las Campanas w Chile. W widmie jednej z nich, noszącej nazwę HV 2112, występują bardzo silne linie rubidu i molibdenu, świadczące o znacznej nadobfitości tych pierwiastków w porównaniu z innymi gwiazdami. Z obliczeń teoretycznych wynika, że właśnie te pierwiastki – i w takich ilościach! – powinny powstawać w TŻO.

Mały Obłok Magellana, w którym odkryto pierwszy obiekt Thorne-Żytkow (fot. NASA)

Wygląda więc na to, że pierwszy TŻO został wreszcie odkryty – niemal 40 lat po ukazaniu się pionierskiej pracy sugerującej istnienie takich gwiazd.

Nieco skrócona wersja tego artykułu ukazała się w grudniowym numerze Świata Nauki.