Polacy trochę przypadkiem dokonali niezwykłego odkrycia. Oto gwiazdy milinowe

Nagłe pojawienia gwiazd na niebie obserwuje się od dawna. Mogą to być rzadkie gwiazdy supernowe – czyli najjaśniejsze i najbardziej energetyczne zjawiska w całym kosmosie, odkrywane w innych galaktykach. Mogą to być gwiazdy nowe; też bardzo jasne i energetyczne, których jest więcej. Odkrywamy je też bliżej, także w naszej Drodze Mlecznej. W obu przypadkach są to obiekty istniejące od dawna, które nagle – na skutek burzliwych procesów – ekstremalnie jaśnieją. Eksplodują. Ich blask wzrasta wtedy tysiące, a nawet miliony razy. W większości przypadków supernowych procesy te prowadzą do powstania czarnych dziur lub gwiazd neutronowych (najmasywniejsze supernowe nie pozostawiają po sobie żadnego obiektu zwartego). Natomiast gwiazdy nowe mogą jeszcze nie raz dać znać o sobie.

Istnieje wiele różnych rodzajów gwiazd, które mają w nazwie słowo „nowa” (nova). To nowe karłowate, nowe klasyczne, nowe powrotne, kilonowe, wreszcie supernowe… Jest ich mnóstwo, istotnie różniących się od siebie, wszystkie mają jednak wspólną cechę – pojawiają się znikąd i rozbłyskują na niebie jak w kosmicznym lunaparku. Nas jednak interesują dwa pierwsze typy, czyli nowe klasyczne i karłowate (więcej o nich za chwilę). Okazuje się, że jest między nimi coś jeszcze, „nowy” pośredni typ gwiazd, czyli właśnie odkryte niedawno tzw. milinowe. W kategoriach obserwacyjnych są rzeczywiście zupełnie nowe.

Jak sto Słońc

W połowie grudnia 2024 r. w czasopiśmie „Astrophysical Journal Letters” ukazał się artykuł astronomów z zespołu OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment, czyli Eksperyment Soczewkowania Grawitacyjnego), przedsięwzięcia realizowanego od wielu lat w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego. W publikacji opisano nieznaną wcześniej grupę 29 obiektów w dwóch sąsiednich galaktykach, zwanych Obłokami Magellana. Gwiazdy te cechowały się długotrwałymi rozbłyskami trwającymi typowo kilka miesięcy, podczas których ich jasność rosła nawet 10–20 razy. Nie przypominały żadnych dotychczas znanych klas obiektów. Zostały odkryte dzięki ponad 20-letnim obserwacjom, a szczególnie dzięki ostatnim poszukiwaniom bardzo masywnych tzw. pierwotnych czarnych dziur. Właściwie trochę przez przypadek. Zespół dokładnie mierzył jasność dziesiątek milionów gwiazd z Obłoków Magellana i coś znalazł.

W niektórych przypadkach rozbłyski powtarzały się co kilka lat, w innych – w ciągu ponad 20 lat zarejestrowano zaledwie jedno pojaśnienie. Obiekt nazwany później OGLE-mNOVA-11 pojaśniał w listopadzie 2023 r. – Wykonaliśmy widma tego obiektu przy użyciu Wielkiego Teleskopu Południowoafrykańskiego (SALT, Southern African Large Telescope), jednego z największych teleskopów optycznych na świecie, o średnicy lustra 11 m – wyjaśnia dr Przemysław Mróz z Obserwatorium Astronomicznego UW, główny autor publikacji. – Obserwacje te polegały na rozszczepieniu światła gwiazdy na poszczególne składowe, co dało informacje o jej własnościach fizycznych. Zaobserwowaliśmy m.in. sygnał pochodzący od częściowo zjonizowanych atomów helu, węgla i azotu. Zwłaszcza te pierwsze świadczyły o bardzo wysokiej temperaturze panującej w tym obiekcie.

Dodatkowe obserwacje wykonano za pomocą satelitarnego teleskopu rentgenowskiego Swift, który wykrył w OGLE-mNOVA-11 promieniowanie X odpowiadające temperaturze 600 tys. st. C. Biorąc pod uwagę wielką odległość do gwiazdy (szacowaną na ponad 160 tys. lat świetlnych), obliczono, że całkowita moc wyświecana przez ten obiekt w zakresie rentgenowskim była ponad sto razy większa niż całkowita moc promieniowania Słońca. Nietypowe własności badanej gwiazdy przypominały też badaczom z OGLE inny obiekt, zwany ASASSN-16oh, odkryty w 2016 r. w ramach amerykańskiego projektu ASAS-SN (All Sky Automated Survey for SuperNovae).

– Naszym zdaniem ASASSN-16oh i OGLE-mNOVA-11, a także prawdopodobnie wszystkie pozostałe znalezione przez nas gwiazdy z Obłoków Magellana tworzą nową, jednorodną klasę źródeł promieniowania rentgenowskiego – tłumaczy dr Mróz. – Nazwaliśmy je milinowymi, ponieważ w maksimum jasności są około tysiąckrotnie słabsze niż gwiazdy nowe klasyczne.

Mały biały karzeł

Bardzo dużo gwiazd w kosmosie występuje w układach wielokrotnych, najczęściej podwójnych (gwiazdy pojedyncze, jak nasze Słońce, są znacznie rzadsze). W takiej parze jeden obiekt może szybciej przejść finalne stadium ewolucji, czyli fazę rozdętego czerwonego podolbrzyma lub olbrzyma, i przeistoczyć się w białego karła. Reszta gwiazdy, jej warstwy zewnętrzne, rozpierzcha się w kosmosie w formie tzw. mgławicy planetarnej. Jako zwarte ciało gwiezdne zostaje z niej tylko ogromnie ściśnięte jądro – właśnie biały karzeł, o masie zbliżonej do Słońca i wielkości Ziemi. To obiekt mały i praktycznie niedostrzegalny, lecz niezwykle masywny. Tymczasem jego partnerka dopiero zaczyna swój finisz – też jest gwiazdą typu słonecznego lub nieco większą, ale w stadium czerwonego podolbrzyma. Po wypaleniu zapasu paliwa pęcznieje, by za jakiś czas też stać się białym karłem.

Obiekt ten, dzięki ogromnej grawitacji, przeciąga z sąsiadki materię. Zwykle nie robi tego oczywiście bezpośrednio – najpierw z przechwytywanej materii formuje się dysk, który krąży wokół niego. Tego rodzaju układów, zwanych kataklizmicznymi, badacze nieba znają wiele. Gdy materii przepływającej na białego karła jest bardzo dużo, zaczyna układać się warstwami na jego powierzchni, której temperatura bardzo wzrasta – do ok. 20 mln st. C. Wzrasta też ciśnienie tych warstw i wtedy może nastąpić wybuch termojądrowy. Ma jednak zasięg ograniczony, powierzchniowy – nie dochodzi do zniszczenia struktury białego karła. Jednak biały karzeł bardzo mocno wówczas jaśnieje. Do tej pory niewidoczny lub widoczny bardzo słabo i tylko przez największe teleskopy, staje się tak jasny, że w sprzyjających warunkach można go dostrzec nawet gołym okiem.

Istnieje wiele rodzajów gwiazd nowych. Nowa klasyczna widoczna jest tylko raz (jej jasność rośnie tysiąc do miliona razy). W przypadku nowych powrotnych (podobne pojaśnienie) do wybuchów na powierzchni białego karła dochodzi wiele razy, co kilkanaście lub kilkadziesiąt lat (najpewniej wszystkie nowe są powrotne, także te klasyczne, tyle że powtórne ich pojawienie jest bardzo oddalone w czasie). Istnieją też nowe karłowate, jaśniejące od kilku do stu razy. Ich przypadek jest szczególny, ponieważ pojaśnieniu nie ulega sam biały karzeł (bo nie dochodzi na jego powierzchni do reakcji termojądrowej), lecz okrążający go dysk. Silne zwiększenie tempa przepływu materii z niego na białego karła wywołuje wydzielenie ogromnych ilości energii. I stąd pojaśnienie.

Generalnie gwiazdy nowe różnią się od supernowych tym, że nie dochodzi w nich do zniszczenia eksplodującego obiektu, czyli białego karła. Wybuch termojądrowy następuje tylko na jego powierzchni. I mimo że jego blask jest imponujący, biały karzeł trwa dalej, tracąc przy tym tylko część swojej masy.

Blask rośnie powoli

W odkrytych przez zespół OGLE gwiazdach milinowych blask jest tysiąc razy mocniejszy niż w nowych karłowatych i tysiąc razy słabszy niż w nowych klasycznych. Stanowią więc brakujące ogniwo i znajdują się dokładnie pośrodku – między pierwszymi a drugimi. Poza tym wszystkie mają charakterystyczne, niepowtarzalne, trójkątne kształty krzywych blasku. Wyjaśnia dr Mróz: – Zazwyczaj gwiazdy wybuchowe bardzo szybko rosną do maksimum jasności, a potem ich blask powoli słabnie. W przypadku tych 29 milinowych wzrost jasności jest powolny, stopniowy. Blask rośnie spokojnie przez kilka miesięcy, a potem symetrycznie też powoli opada. To bardzo nietypowe.

Wszystkie właściwości tych obiektów sugerują, że mamy do czynienia z układami podwójnymi gwiazd i że są to układy kataklizmiczne składające się z białego karła i czerwonego podolbrzyma. Dodatkowo oba obiekty są dość blisko siebie, obiegają się w okresie zaledwie kilkudniowym. Biały karzeł ściąga z czerwonego podolbrzyma materię i to jest źródłem wybuchu milinowych. Przy czym rozważa się dwie możliwości.

Powodem błysku może być gwałtowny zrzut materii na białego karła. To mechanizm podobny do tego, który towarzyszy nowym karłowatym, tyle że istotnie silniejszy. Druga ewentualność – źródłem błysku może być miniwybuch termojądrowy na powierzchni białego karła. Jeśli opada na niego dużo materii z sąsiedniej gwiazdy, może ona rozgrzać się na tyle, że dojdzie do reakcji termojądrowych. Tylko część zostaje wyrzucona w przestrzeń kosmiczną. To różni milinowe od nowych klasycznych, w których wybuch odrzuca całą opadłą na karła materię, a ów podmuch ma prędkość kilku tysięcy kilometrów na sekundę.

Świece standardowe

Po pierwsze, mamy nową klasę kosmicznych obiektów i samo to daje astronomom sporo do myślenia. Po drugie, milinowe dostarczają więcej wiedzy o genezie supernowych – zwłaszcza typu Ia. Obiekty te służą jako tzw. świece standardowe do pomiarów odległości w kosmosie. Możemy bowiem określić ilość energii, jaką podczas wybuchu wyświeca taka supernowa. Jeśli porównamy ją z tym, co mierzymy na Ziemi, jesteśmy w stanie dokładnie oszacować jej odległość. To zaś pozwala zmierzyć dystans do innych obiektów kosmicznych. W latach 90. XX w. w ten sposób odkryto zjawisko przyspieszenia tempa rozszerzania Wszechświata, co w 2011 r. uhonorowano Nagrodą Nobla z fizyki.

– Pomimo że wykorzystujemy supernowe typu Ia do pomiarów odległości w kosmosie, to wciąż nie wiemy, jakie są mechanizmy prowadzące do ich powstawania – kontynuuje dr Mróz. – Na pewno wiadomo, że do wybuchu dochodzi na białym karle, którego masa przekroczyła 1,4 masy naszego Słońca. Są dwie możliwości, by do tego doszło: albo mamy dwa białe karły, które się zderzają i tworzą obiekt przekraczający granicę 1,4 masy Słońca, albo biały karzeł ściąga na tyle dużo masy z gwiazdy sąsiadki, że też tę granicę w końcu przekracza. Być może obie hipotezy są prawdziwe i oba scenariusze występują w naturze.

Druga ewentualność rodzi pytanie, w jaki sposób masa białego karła może rosnąć. Jeżeli na jego powierzchni dochodzi do eksplozji termojądrowej, ale materia nie jest odrzucana w przestrzeń – jak to może mieć miejsce w przypadku odkrytych milinowych – to warunki sprzyjają dalszemu wzrostowi masy. Po milionach lat biały karzeł stanie się supernową. Jeśli tak jest w istocie, to odkrycie gwiazd milinowych rzuca nowe światło na ewolucję ciał niebieskich.