Czerwone olbrzymy, gwiazdy neutronowe i fale grawitacyjne

Wszechświat jest pełen różnych typów gwiazd, w tym dużych, zwanych czerwonymi olbrzymami. Ale co, jeżeli niektóre z tych czerwonych olbrzymów kryją w swoim wnętrzu inną gwiazdę?

Wizja artystyczna Obiektu Thorne'a-Żytkow z gwiazdą neutronową jako jądro w otoczce z czerwonego olbrzyma. Źródło: Astronomy magazine.

Dwie gwiazdy w cenie jednej?
Obiekt Thorne'a-Żytkow (TŻO) jest bardzo szczególnym rodzajem obiektu hybrydowego, który składa się z dwóch gwiazd: czerwonego olbrzyma (lub nadolbrzyma) i gwiazdy neutronowej, która znajduje się w jądrze nadolbrzyma. Jednym ze sposobów, w jaki może powstać TŻO jest bliska ewolucja układu podwójnego złożonego z dwóch masywnych gwiazd (> 8 mas Słońca) krążących wokół siebie. Kiedy bardziej masywna gwiazda z pary osiągnie koniec swojego życia, przejdzie w supernową i pozostawi za sobą małą, gęstą gwiazdę neutronową. Proces ten może spowodować, że gwiazda neutronowa i pozostała masywna gwiazda zacznie opadać po spirali, pozwalając czerwonemu olbrzymowi połknąć maleńką, ale gęstą gwiazdę neutronową.

Wyzwania związane z wykrywaniem TŻO
Chociaż TŻO zostały po raz pierwszy zaproponowane w 1977 roku, pozostają niezwykle trudne do wykrycia i ich istnienie nigdy nie zostało potwierdzone obserwacyjnie. Jednym z problemów jest to, że TŻO nie różni się zbytnio od czerwonego olbrzyma. Jednak ze względu na obecność jądra gwiazdy neutronowej, TŻO powinny mieć inną obfitość chemiczną niż czerwone olbrzymy. Wykorzystując tę wskazówkę, jedna z autorek pracy, dr Emily Levesque, zidentyfikowała w 2014 roku mocnego kandydata na TŻO w Małym Obłoku Magellana. Gwiazda ta, znana jako HV 2112, ma skład chemiczny, jakiego oczekuje się po obiektach TŻO – choć nadal może być po prostu dziwnym czerwonym olbrzymem bez gwiazdy neutronowej w swoim jądrze.

Poza tym, że TŻO są trudne do „wizualnego” odróżnienia od czerwonych olbrzymów, mogą być również trudne do grawitacyjnego odróżnienia od samodzielnych gwiazd neutronowych. Podczas formowania się, TŻO będzie emitować fale grawitacyjne o częstotliwości ~10 Hz, których naziemne detektory, takie jak LIGO, nie są w stanie wykryć ze względu na szum sejsmiczny pochodzący z Ziemi. Po uformowaniu, TŻO będzie emitować fale grawitacyjne od swojego neutronowego jądra „opadającego w dół” (coraz wolniej i wolniej). Jednak opadanie w dół jest tym, co robią gwiazdy neutronowe żyjące poza TŻO (możemy to obserwować na przykładzie pulsara), co sprawia, że trudno jest odróżnić TŻO od samodzielnych gwiazd neutronowych wykorzystując jedynie fale grawitacyjne.

Gdzie można znaleźć TŻO?
Dobra wiadomość jest taka, że fale grawitacyjne i wizualna identyfikacja czerwonych olbrzymów mogą być użyte łącznie do lepszej identyfikacji TŻO! W tym celu autorzy pracy zidentyfikowali kilka pobliskich regionów bogatych w czerwone (nad)olbrzymy, które mogą być dobrymi kandydatami na gospodarzy TŻO. Zdecydowali się na jedną grupę czerwonych nadolbrzymów w regionie nieba znanym jako Ramię Krzyża. Region ten nosi nazwę RSGC1 i jest oddalony od Ziemi o około 6,6 kiloparseka. Jest on również bardzo zwarty, ma około 10 mln lat i zawiera około 210 masywnych gwiazd. Jego odległość i niewielkie rozmiary czynią go idealnym do skanowania w poszukiwaniu sygnatur grawitacyjnych, podczas gdy jego wiek i populacja masywnych gwiazd oznaczają, że TŻO miałyby czas i możliwość uformowania się.

Autorzy pracy dokładnie wymodelowali, jak wyglądałaby sygnatura grawitacyjna TŻO zlokalizowanego w RSGC1. Wzięli pod uwagę właściwości gromady czerwonych olbrzymów, takie jak jej odległość i rozmiar. Rozważono również, jak szybko gwiazdy neutronowe mają tendencję do opadania w dół, co zależy od ich częstotliwości wirowania do pewnej potęgi n, gdzie 2 < n < 7. Autorzy rozważają szereg opcji dla n, które odpowiadają trzem różnym modelom tego, jak gwiazda neutronowa w centrum TŻO będzie opadać w dół. W końcu używają tego, co jest znane jako limit wirowania, co oznacza, że zakładają, że cała energia ze spowolnienia rotacji gwiazdy neutronowej jest uwalniana jako fale grawitacyjne. W rzeczywistości część tej energii może być użyta gdzie indziej – co oznacza, że ich obliczenia są górną granicą dla sygnałów fal grawitacyjnych z TŻO w RSGC1.

Nowe narzędzia do szukania TŻO
Autorzy wykazali, że spodziewane sygnały grawitacyjne dla TŻO w RSGC1 są znacznie powyżej progu szumu LIGO, co oznacza, że jakiekolwiek jądra gwiazd neutronowych prawdopodobnie byłyby wykrywalne! Następnym krokiem jest poszukiwanie takich sygnatur w archiwalnych danych LIGO i porównanie ich z danymi obserwacyjnymi. Jeżeli astronomom uda się znaleźć zarówno sygnaturę fal grawitacyjnych gwiazdy neutronowej, jak i wizualną sygnaturę czerwonego olbrzyma pochodzącą z tego samego źródła, będzie to najmocniejszy dowód na istnienie TŻO: gwiazdy w gwieździe!

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Dziwne fale radiowe wyłaniają się z kierunku centrum Galaktyki

Odkryto nową „skamieniałą galaktykę” zakopaną głęboko w Drodze Mlecznej

W pobliżu jednej z najstarszych gwiazd w naszej galaktyce odkryto „superziemię”