Hledání podivných nových hvězdných systémů ve vesmíru může vést k docela zajímavým nálezům. A někdy se může objevit jev, který odporuje všemu, co si myslíme, že víme o vzniku a vývoji hvězd. Takové nálezy jsou nejen fascinující a vzrušující, ale umožňují nám rozšířit a zdokonalit naše modely toho, jak vesmír vznikl.
Například, nedávná studie provedená mezinárodním týmem vědců ukázala, jak nedávný objev binárního systému – milisekundového pulsaru a nízkohmotného bílého trpaslíka (LMWD) – vzdoruje konvenčním představám o hvězdné evoluci. Zatímco v minulosti se věřilo, že takové systémy mají kruhové dráhy, bílý trpaslík v této konkrétní dvojhvězdě obíhá kolem pulsaru s extrémní excentricitou!
Abychom to rozebrali, konvenční moudrost uvádí, že LMWD jsou produktem binární evoluce. Důvodem je to, že za normálních okolností by taková hvězda – s nízkou hmotností, ale neuvěřitelnou hustotou – vznikla až poté, co by vyčerpala veškeré své jaderné palivo a ztratila své vnější vrstvy jako planetární mlhovina. Vzhledem k hmotnosti této hvězdy by to samo o sobě trvalo asi 100 miliard let – tedy déle, než je stáří vesmíru.
Umělecký dojem rostoucího rentgenového milisekundového pulsaru. Tekoucí materiál z doprovodné hvězdy tvoří kolem neutronové hvězdy disk, který je zkrácen na okraji magnetosféry pulsaru. Poděkování: NASA/Goddard/Dana Berry
Obecně se má za to, že jsou výsledkem párování s jinými hvězdami – konkrétně s milisekundovými rádiovými pulsary (MSP). Jedná se o odlišnou populaci neutronových hvězd, které mají rychlé periody rotace a magnetická pole, která jsou o několik řádů slabší než „normální“ pulsary. Předpokládá se, že tyto vlastnosti jsou výsledkem přenosu hmoty s doprovodnou hvězdou.
V podstatě MSP, které obíhají kolem hvězdy, je pomalu zbaví jejich hmoty, vysají jejich vnější vrstvy a promění je v bílého trpaslíka. Přidání této hmoty k pulsaru způsobí, že se otáčí rychleji a pohřbívá jeho magnetické pole, a také svléká doprovodnou hvězdu na bílého trpaslíka. V tomto scénáři se očekává, že excentricita oběžné dráhy LMWD kolem pulsaru bude zanedbatelná.
Při pohledu na dvojhvězdný systém PSR J2234+0511 si však mezinárodní tým všiml něčeho úplně jiného. Zde našli bílého trpaslíka s nízkou hmotností spárovaného s milisekundovým pulsarem, který bílý trpaslík obíhal s periodou 32 dnů a extrémní excentricitou (0,13). Protože to odporuje současným modelům bílých trpaslíků, tým začal hledat vysvětlení.
Jak řekl Dr. John Antoniadis – výzkumník z Dunlap Institute na University of Toronto a hlavní autor studie – řekl Universe Today e-mailem:
„Milisekundové dvojhvězdy pulsar-LMWD jsou velmi běžné. Podle zavedeného scénáře formování se tyto systémy vyvíjejí z nízkohmotných rentgenových dvojhvězd, ve kterých neutronová hvězda nahromadí hmotu z obří hvězdy. Nakonec se tato hvězda vyvine v bílého trpaslíka a neutronová hvězda se stane milisekundovým pulsarem. Kvůli silným slapovým silám během epizody přenosu hmoty jsou oběžné dráhy těchto systémů extrémně kruhové s excentricitami ~0,000001 nebo tak.
Umělecký dojem milisekundového pulsaru a jeho společníka. Pulsar (modrý) shromažďuje materiál ze své nafouklé červené doprovodné hvězdy a zvyšuje rychlost její rotace. Kredit: ESA/Francesco Ferraro (Bologna Astronomical Observatory)
Kvůli jejich studii, která se nedávno objevila vThe Astrophysical Journal– s názvem „ Excentrický binární milisekundový pulzar s heliovým bílým trpasličím společníkem v galaktickém poli ” – tým spoléhal na nově získanou optickou fotometrii systému poskytovanou společností Sloan Digital Sky Survey (SDSS) a spektroskopie z Very Large Telescope z Observatoř Paranal v Chile.
Kromě toho konzultovali nedávné studie, které se zabývaly jinými binárními hvězdnými systémy, které vykazují stejný druh excentrického vztahu. „Nyní známe [o] 5 systémech, které se odchylují od tohoto obrázku v tom, že mají excentricitu ~0,1, tj. o několik řádů větší, než se očekává ve standardním scénáři,“ řekl Antoniadis. 'Zajímavé je, že všechny mají podobné excentricity a oběžné doby.'
Z toho byli schopni odvodit teplotu (8600 ± 190 K) a rychlost ( km/s) společníka bílého trpaslíka v dvojhvězdném systému. V kombinaci s omezeními umístěnými na hmotnosti dvou těles – 0,28 hmotnosti Slunce pro bílého trpaslíka a 1,4 pro pulsar – a také na jejich poloměry a povrchovou gravitaci pak testovali tři možná vysvětlení, jak tento systém vznikl.
Mezi ně patřila možnost, že neutronové hvězdy (jako je zde pozorovaný pulsar v milisekundě) vznikají kolapsem masivního bílého trpaslíka vyvolaným akrecí. Podobně zvažovali, zda neutronové hvězdy procházejí transformací, když narůstají materiál, což má za následek, že se z nich stávají kvarkové hvězdy. Během tohoto procesu by uvolnění gravitační energie bylo zodpovědné za vyvolání pozorované excentricity.
Umělcova ilustrace rotující neutronové hvězdy, pozůstatku výbuchu supernovy. Poděkování: NASA, Caltech-JPL
Za druhé, zvážili možnost – v souladu se současnými modely hvězdné evoluce – že LMWD v určitém hmotnostním rozsahu mají silné hvězdné větry, když jsou velmi mladé (kvůli nestabilní vodíkové fúzi). Tým proto zkoumal, zda tyto silné hvězdné větry mohly být tím, co dříve v historii systému narušilo oběžnou dráhu pulsaru.
Nakonec zvažovali možnost, že část materiálu uvolněného z bílého trpaslíka v minulosti (díky stejnému hvězdnému větru) mohla vytvořit krátkověký cirkumbinární disk. Tento disk by pak fungoval jako třetí těleso, narušovalo systém a zvyšovalo excentricitu oběžné dráhy bílého trpaslíka. Nakonec usoudili, že první dva scénáře byly nepravděpodobné, protože hmotnost odvozená pro progenitor pulsaru nebyla v souladu s žádným modelem.
Nicméně třetí scénář, ve kterém byla za excentricitu zodpovědná interakce s cirkumbinárním diskem, byl v souladu s jejich odvozenými parametry. A co víc, třetí scénář předpovídá, jak by (v určitém hmotnostním rozsahu) neměly existovat žádné kruhové dvojhvězdy s podobnými orbitálními periodami – což je v souladu se všemi známými příklady takových systémů. Jak vysvětlil Dr. Antoniadis:
'Tato pozorování ukazují, že doprovodná hvězda v tomto systému je skutečně bílý trpaslík s nízkou hmotností.' Kromě toho se hmotnost pulsaru zdá být příliš nízká pro #2 a trochu příliš vysoká pro #1. Studujeme také oběžnou dráhu dvojhvězdy v Mléčné dráze a vypadá velmi podobně jako u nízkohmotných rentgenových dvojhvězd. Tyto důkazy dohromady podporují hypotézu disku.'
Průřez neutronovou hvězdou. Poděkování: Wikipedia Commons/Robert Schulz
Dr. Antoniadis a jeho kolegové samozřejmě připouštějí, že je zapotřebí více informací, než bude jejich hypotéza považována za správnou. Pokud by však jejich výsledky potvrdil budoucí výzkum, pak předpokládají, že to bude cenný nástroj pro budoucí astronomy a astrofyziky, kteří chtějí studovat interakci mezi binárními hvězdnými systémy a cirkumbinárními disky.
Objev tohoto binárního systému s vysokou excentricitou navíc v nadcházejících letech usnadní měření hmotností bílých trpaslíků s nízkou hmotností s extrémní přesností. To by zase mělo astronomům pomoci lépe porozumět vlastnostem těchto hvězd a tomu, co vede k jejich vzniku.
Jak nás historie naučila, pochopení vesmíru vyžaduje vážný závazek k procesu neustálého objevování. A čím více objevujeme, tím cizejší se to zdá být, což nás nutí přehodnotit, co si myslíme, že o tom víme.
Další čtení: The Astrophysical Journal
