Symbiozy, kataklizmy i... mgławice
Zdjęcie powyżej zostało wykonane w grudniu ub.r. przez instrument SPHERE, zamontowany na jednym z teleskopów VLT w Chile. Ukazuje bardzo dokładnie układ gwiazd R Aquarii, leżący ok. 650 lat świetlnych od nas w konstelacji Wodnika. Jest to niemal podręcznikowy przykład tzw. układu symbiotycznego dwóch gwiazd: czerwonego olbrzyma oraz białego karła. Takie układy często kończą swoje istnienie w gwałtownych wybuchach supernowych.
Kosmiczna symbioza
Gdy gwiazda o masie zbliżonej do masy Słońca wypala cały swój dostępny wodór, zaczyna pęcznieć. Bardzo powiększa swoje rozmiary, niszczy wszystko, co znajduje się w jej pobliżu (np. planety), aż w końcu trwale odrzuca w przestrzeń całą swoją materię poza jądrem. Ta dość krótkotrwała faza spuchnięcia nazywana jest czerwonym olbrzymem. Nasze Słońce też nim się stanie za jakieś 5 mld lat. Z kolei biały karzeł jest właśnie tą pozostałością, a więc niezwykle zagęszczonym jądrem pozostałym po czerwonym olbrzymie. Typowy biały karzeł ma rozmiary Ziemi, lecz masę Słońca lub nawet nieco większą. W układzie R Aquarii początkowo istniały dwie blisko położone gwiazdy typu Słońca. Jednak ich ewolucja, po wypaleniu całego zapasu wodoru, przebiegła odmiennie.
To właśnie podwójne układy gwiazd dominują w kosmosie – istnieje ich znacznie więcej niż gwiazd pojedynczych, jak nasze samotne Słońce – a w części z nich naprawdę dużo się dzieje. W układzie takim jak R Aquarii jeden z obiektów szybciej spala swoje wodorowe paliwo, po czym wchodzi w fazę czerwonego olbrzyma, aż w końcu odrzuca materię i staje się białym karłem – bardzo małym i bardzo masywnym. Drugie ciało zaczyna przeobrażać się później, gdy towarzysz już stał się białym karłem. Taki właśnie układ ukazuje zdjęcie z VLT. Obie gwiazdy (czerwony olbrzym i biały karzeł) znajdują się już poza ciągiem głównym (czyli ogromnym, największym zbiorem gwiazd pozostających jeszcze w okresie spalania swojego wodoru, jak choćby nasze Słońce). Ponieważ leżą dość blisko siebie, biały karzeł ogromnymi siłami grawitacji ściąga z czerwonego olbrzyma materię. Nie robi tego oczywiście bezpośrednio, lecz najpierw doprowadza do uformowania dysku z przechwytywanej materii, krążącej wokół niego. Co pewien czas dysk traci równowagę i materia zaczyna opadać na białego karła, ale jej część, na skutek oddziaływania bardzo silnego pola magnetycznego dysku, zostaje gwałtownie odrzucona w przestrzeń w formie dżetów. I te dżety też na zdjęciu widać. Takich podobnych układów symbiotycznych badacze nieba znają wiele, nawet kilkaset, głównie w naszej Galaktyce, ale nie tylko – także np. w pobliskich Obłokach Magellana.
Gwiazdy nowe i supernowe
Gdy materii przepływającej na białego karła jest bardzo dużo, zaczyna ona układać się warstwami na jego powierzchni, której temperatura bardzo wzrasta – do ok. 20 mln °C. Wzrasta też wtedy bardzo ciśnienie tych warstw i może nastąpić wybuch tzw. gwiazdy nowej. Gwiazdy nowe – często obserwowane przez astronomów – to właśnie białe karły, na których dochodzi do wybuchów termojądrowych, mających tylko zasięg ograniczony, powierzchniowy, więc nie niszczą one struktury białego karła. Materia przechwycona z czerwonego olbrzyma zapala się w gwałtownej reakcji i wtedy gwiazda bardzo mocno jaśnieje – do tego stopnia, że wcześniej niewidoczna lub bardzo słabo widoczna, w sprzyjających warunkach dostrzegalna jest nawet gołym okiem. Stąd nazywana jest nową – jakby dopiero co się pojawiła.
Istnieje wiele rodzajów gwiazd nowych: opisany wyżej typ to tzw. nowa klasyczna (jej jasność wzrasta z 8 do 15 wielkości gwiazdowych), są jednak też nowe powrotne (gdy do wybuchów powierzchniowych na białym karle dochodzi wiele razy, co kilkanaście lub kilkadziesiąt lat), a także nowe karłowate (wzrost jasności z 2 do 5, 6 wielkości gwiazdowych). Ten ostatni przypadek jest nieco odmienny, ponieważ pojaśnienie nie dotyczy samego białego karła (nie dochodzi na jego powierzchni do reakcji termojądrowej), lecz okrążającego go dysku materii zaczerpniętej z czerwonego olbrzyma (wzrost energii jest następstwem silnego zwiększenia przepływu materii na dysk). Generalnie gwiazdy nowe różnią się od supernowych tym, że następstwem ich pojawienia się nie jest zniszczenie obiektu (czyli białego karła). Przerzut materii z czerwonego olbrzyma nie jest zbyt duży jak w przypadku supernowej i gwiazda rozbłyskuje termojądrowo tylko na powierzchni. Ale jej blask jest także imponujący. To właśnie we wspomnianym Obłoku Magellana (Małym) astronomowie zaobserwowali jedną z najjaśniejszych do tej pory gwiazd nowych – SMCN 2016–10a. Było to w październiku 2016 r.
Mroczny finał symbiozy
Układy symbiotyczne wbrew nazwie – która w naukach biologicznych określa przecież zjawisko pokojowego i korzystnego współżycia różnych gatunków – mają często smutny finał. Gdy przepływ materii jest zbyt intensywny i długotrwały, biały karzeł może w ostateczności wybuchnąć jako gwiazda supernowa typu Ia. Granica tego procesu jest ściśle określona i ma swoją nazwę. W 1930 r. wybitny astrofizyk hinduski Subrahmanyan Chandrasekhar udowodnił, że momentem tym jest przekroczenie przez białego karła 1,44 masy Słońca. Supernowe typu Ia są dla naszych obserwacji wszechświata bardzo ważne, ponieważ posiadają charakterystyczne krzywe blasku, służące do wyznaczania odległości w kosmosie, a koncepcja Chandrasekhara jest jedną z głównych teorii wyjaśniających ich genezę. Zwolennicy innej teorii, wcale niewykluczającej pierwszej, twierdzą, że wybuchy te są poprzedzone kolizją dwóch biały karłów.
Co ciekawe, w materialnych pozostałościach po gwiazdach supernowych udaje się odnaleźć ślady erupcji gwiazd nowych. Oznacza to, że nim biały karzeł zniknie w eksplozji supernowej, może przejść bezpieczną dla jego istnienia fazę wybuchów gwiazd nowych. Pierwsza dokładna obserwacja tego typu nastąpiła w 2012 r. i dotyczyła supernowej PTF 11kx (600 mln lat świetlnych od nas). W mgławicy powstałej po jej wybuchu odnaleziono wyraźne ślady wcześniejszych erupcji nowych tej gwiazdy.
Oczywiście nie wszystkie układy podwójne czerwonego olbrzyma i białego karła muszą wybuchać jako gwiazdy supernowe, co definitywnie kończy ich istnienie. Mogą rzeczywiście trwać w dość długiej symbiozie. Wtedy też są źródłem przepięknych zjawisk na niebie, a mianowicie mgławic planetarnych, zwłaszcza tych niesferycznych, zwanych bipolarnymi. Emitowana w wyniku ich interakcji materia układa się w przepiękne wzory z wyraźną osią podziału, przypominające klepsydrę lub rysunek skrzydeł motyla (typowe planetarne mgławice tego typu to Mgławica Mrówka, Mgławica Minkowski 2-9 czy NGC 6302). Notabene i te, i zwykłe, czyli sferyczne, mgławice planetarne (tworzą je pojedyncze gwiazdy po wypaleniu wodoru i już po przejściu fazy czerwonego olbrzyma) nie mają właściwie nic wspólnego z planetami. Ta nazwa wywodzi się z czasów, gdy astronomowie brali mgławice generowane przez czerwone olbrzymy za niewyraźne tarcze odległych planet, np. Urana czy Neptuna.
Całkiem niegroźne kataklizmy
W kosmosie poza symbiotycznymi istnieje wiele podwójnych układów gwiazd, zwanych układami kataklizmicznymi. W tym przypadku nazwa też nas może zmylić, bo zwykle do żadnego prawdziwego kataklizmu w nich nie dochodzi. Układy takie są nieco podobne do symbiotycznych, ale w duecie z białym karłem nie występuje w nich gwiazda u schyłku swojej ewolucji, czyli czerwony olbrzym, lecz gwiazda zwykła, podobna do naszego Słońca, wciąż pozostająca w ciągu głównym, a więc spalająca wodór. Układ jest dość ciasny i jeśli gwiazda zwykła na skutek utraty masy lub momentu pędu orbitalnego wypełnia swoją powierzchnię Roche’a (nazwaną od nazwiska francuskiego astronoma Edouarda Roche’a), a więc materialnie osiąga granicę dominacji grawitacyjnej, wtedy jej znacznie masywniejszy partner może ściągać do siebie jej materię bez konieczności uzyskania przez nią jakiejkolwiek dodatkowej energii. Układ taki może trwać jednak długo i bardziej przypomina symbiozę niż kataklizm. Materia z gwiazdy zwykłej przepływa na białego karła, ale w ilości zbyt małej (jest jej tu znacznie mniej niż w przypadku układu z czerwonym olbrzymem), by doprowadzić do jego katastroficznego wybuchu pod postacią supernowej. Jedynym nagłym zjawiskiem obserwowanym w układach kataklizmicznych są więc również wybuchy gwiazd nowych.
Przemek Berg
dziennikarz naukowy, związany na stałe z redakcją tygodnika „Polityka”