Zaobserwowano eksplozję na białym karle

Kiedy gwiazdy takie jak nasze Słońce zużywają całe swoje paliwo, kurczą się, tworząc białe karły. Czasem takie martwe gwiazdy powracają do życia w wyniku bardzo gorącej eksplozji i wytwarzają ognistą kulę promieniowania rentgenowskiego. Zespół naukowców po raz pierwszy zaobserwował taką eksplozję promieniowania X.

Wizja artystyczna eksplodującego białego karła. Źródło: Annika Kreikenbohm.

To był do pewnego stopnia szczęśliwy zbieg okoliczności – wyjaśnia Ole König z Instytutu Astronomicznego FAU w Obserwatorium im. dr. Karla Remeisa w Bambergu, który opublikował artykuł o tej obserwacji w czasopiśmie Nature wraz z prof. dr. Jörnem Wilmsem i zespołem badawczym Instytutu Fizyki Pozaziemskiej Maxa Plancka, Uniwersytetu w Tybindze, Universitat Politécnica de Catalunya w Barcelonie oraz Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam. Te rozbłyski rentgenowskie trwają zaledwie kilka godzin i są prawie niemożliwe do przewidzenia, ale instrument obserwacyjny musi być skierowany bezpośrednio na wybuch w dokładnie odpowiednim momencie – wyjaśnia astrofizyk.

Instrumentem w tym przypadku jest teleskop rentgenowski eROSITA, który obecnie znajduje się półtora miliona kilometrów od Ziemi i od 2019 roku bada niebo w poszukiwaniu miękkiego promieniowania rentgenowskiego. 7 lipca 2020 roku zmierzył on silne promieniowanie X w obszarze nieba, który cztery godziny wcześniej wyglądał zupełnie niepozornie. Gdy teleskop rentgenowski badał to samo miejsce na niebie cztery godziny później, promieniowanie zniknęło. Wynika z tego, że błysk promieniowanie rentgenowskiego, który wcześniej całkowicie prześwietlił środek detektora, musiał trwać krócej niż osiem godzin.

Tego typu eksplozje promieniowania rentgenowskiego zostały przewidziane przez badania teoretyczne ponad 30 lat temu, ale do tej pory nigdy nie zostały bezpośrednio zaobserwowane. Te ogniste kule promieniowania X pojawiają się na powierzchni gwiazd, które początkowo miały rozmiary porównywalne do Słońca, zanim zużyły większość swojego paliwa, składającego się z wodoru, a później helu, głęboko w swoich rdzeniach. Te gwiezdne trupy kurczą się, aż pozostają białe karły, które mają rozmiary zbliżone do Ziemi, ale ich masa może być podobna do masy naszego Słońca.

Te tak zwane nowe zdarzają się cały czas, ale wykrycie ich w pierwszych chwilach, gdy powstaje większość emisji promieniowania rentgenowskiego, jest naprawdę trudne – mówi dr Wiktor Doroszenko z Uniwersytetu w Tybindze. Wyzwaniem jest nie tylko krótki czas trwania błysku, ale również fakt, że spektrum emitowanego promieniowania rentgenowskiego jest bardzo miękkie. Miękkie promieniowanie X jest mało energetyczne i łatwo absorbowane przez ośrodek międzygwiazdowy, dlatego w tym paśmie nie widzimy zbyt daleko, co ogranicza liczbę możliwych do zaobserwowania obiektów, czy to nowej, czy zwykłej gwiazdy. Teleskopy zwykle są projektowane tak, aby były najbardziej efektywne w twardym promieniowaniu X, gdzie absorpcja jest mniej istotna, i to jest właśnie powód, dla którego mogłyby przegapić takie zdarzenie! – podsumowuje Wiktor Doroszenko.

Zwłoki gwiazd przypominają kamienie szlachetne
Łyżeczka materii z wnętrza białego karła ma masę porównywalną z dużą ciężarówką – kontynuuje Jörn Wilms. Ponieważ te wypalone gwiazdy składają się głównie z tlenu i węgla, można je porównać do gigantycznych diamentów wielkości Ziemi, które unoszą się w przestrzeni kosmicznej. Te obiekty w postaci cennych klejnotów są tak gorące, że świecą na biało. Promieniowanie jest jednak tak słabe, że trudno je wykryć z Ziemi.

Chyba, że białemu karłowi towarzyszy gwiazda, która nadal płonie, i gdy olbrzymie przyciąganie grawitacyjne białego karła powoduje wysysanie wodoru z powłoki towarzyszącej mu gwiazdy. Z czasem wodór ten może się zebrać i utworzyć na powierzchni białego karła warstwę o grubości zaledwie kilku metrów – wyjaśnia Jörn Wilms. W tej warstwie ogromne przyciąganie grawitacyjne wytwarza olbrzymie ciśnienie, które jest tak duże, że powoduje ponowny zapłon gwiazdy. W wyniku reakcji łańcuchowej wkrótce dochodzi do ogromnej eksplozji, podczas której warstwa wodoru zostaje zdmuchnięta. Promieniowanie rentgenowskie powstałe w wyniku tej eksplozji trafiło do detektorów eROSITA 7 lipca 2020 roku.

Fizyczne pochodzenie emisji rentgenowskiej z atmosfer białych karłów jest stosunkowo dobrze poznane i możemy modelować ich widma w oparciu o pierwsze zasady i z dużą dokładnością. Porównanie modeli z obserwacjami pozwala na poznanie podstawowych własności obiektów, takich jak masa, rozmiar czy skład chemiczny – wyjaśnia dr Valery Suleimanov z Uniwersytetu w Tybindze. Problem w tym konkretnym przypadku polegał jednak na tym, że po 30 latach bez fotonów nagle pojawiło się ich zbyt wiele, co zniekształciło odpowiedź spektralną eROSITA, która została zaprojektowana do wykrywania milionów bardzo słabych obiektów, a nie jednego, ale bardzo jasnego – dodaje Wiktor Doroszenko.

Korzystając z obliczeń modelowych, które pierwotnie opracowaliśmy, wspierając rozwój instrumentu rentgenowskiego, byliśmy w stanie bardziej szczegółowo przeanalizować obraz podczas złożonego procesu, aby uzyskać zakulisowy widok wybuchu białego karła, czy nowej – wyjaśnia Jörn Wilms.

Zgodnie z wynikami badań biały karzeł ma masę zbliżoną do naszego Słońca, a więc jest stosunkowo duży. W wyniku eksplozji powstała kula ognia o temperaturze około 327 000 K, co czyni ją około sześćdziesiąt razy gorętszą od Słońca. Parametry te uzyskano dzięki połączeniu modeli promieniowania rentgenowskiego z modelami promieniowania emitowanego przez bardzo gorące białe karły, stworzonymi w Tybindze przez Valery'ego Suleimanova i Wiktora Doroszenko, oraz dzięki bardzo wnikliwej analizie odpowiedzi instrumentów w reżimie znacznie wykraczającym poza specyfikacje, przeprowadzonej w FAU i MPE. Myślę, że to bardzo dobrze ilustruje znaczenie współpracy we współczesnej nauce oraz szeroki zakres wiedzy specjalistycznej w ramach niemieckiego konsorcjum eROSITA – dodaje prof. dr Klaus Werner.

Ponieważ w takich nowych dość szybko kończy się paliwo, szybko stygną, a promieniowanie rentgenowskie słabnie, aż w końcu staje się światłem widzialnym, które dotarło do Ziemi pół dnia po detekcji eROSITA i zostało zaobserwowane przez teleskopy optyczne. Pojawiła się wtedy pozornie jasna gwiazda, która w rzeczywistości była widzialnym światłem z wybuchu, tak jasnym, że można je było dostrzec na nocnym niebie nieuzbrojonym okiem – wyjaśnia Ole König. Pozornie „nowe gwiazdy”, takie jak ta, były obserwowane w przeszłości i nazywano je „nova stella”, czyli „nowa gwiazda”, ze względu na ich niespodziewane pojawienie się. Ponieważ takie nowe są widoczne dopiero po rozbłysku promieniowania X, bardzo trudno jest przewidzieć takie wybuchy i to głównie od przypadku zależy, kiedy trafią one w detektory promieniowania rentgenowskiego.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Dziwne fale radiowe wyłaniają się z kierunku centrum Galaktyki

Astronomowie potwierdzają istnienie kosmicznej super-pustki, która podważa nasze rozumienie ciemnej energii

Strumień Magellana nad Drogą Mleczną może być pięć razy bliżej niż wcześniej sądzono