Zderzenie dwóch gwiazd w układzie potrójnym. Polscy astronomowie wyjaśniają wybuch V838 Monocerotis

W 2002 roku zaobserwowano wybuch gwiazdy znanej jako V838 Monocerotis (w skrócie: V838 Mon). Obiekt ten stał się szybko astronomiczną sensacją. Jego jasność wzrosła tysiąckrotnie w kilka tygodni, udało się także zaobserwować tak zwany efekt echa świetlnego (w wyniku rozproszenia światła z rozbłysku na ziarnach pyłu międzygwiezdnego). Zdjęcia tego efektu wykonane przy pomocy Kosmicznego Teleskopu Hubble’a są jedną z ikon współczesnej astrofotografii. W szczytowym momencie wybuchu V838 była jedną z najjaśniejszych gwiazd w całej Lokalnej Grupie Galaktyk, do której należy Droga Mleczna.

Przez kilka lat trwała debata nad wyjaśnieniem tego kosmicznego kataklizmu, bowiem jego przebieg nie pasował do znanych wcześniej kosmicznych eksplozji. Profesor Romuald Tylenda z toruńskiego oddziału Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk (CAMK PAN), wraz ze współpracownikami, zaproponował wyjaśnienie, iż doszło do zderzenia i koalescencji (zlania się w jeden obiekt) dwóch gwiazd. Obecnie ta hipoteza jest powszechnie akceptowana, a obiekty tego typu nazywa się czerwonymi nowymi.

- Dzięki przypadkowi V838 Monocerotis i podobnych obiektów wiemy, że złączenia (merdżery, ang. mergers) normalnych gwiazd rzeczywiście zachodzą w naszej i innych galaktykach, czyli ogólnie w kosmosie. I to zachodzą o wiele częściej niż merdżery czarnych dziur czy gwiazd neutronowych - tłumaczył profesor Tylenda.

Obecnie zespół naukowców, którym kieruje doktor Tomasz Kamiński (CAMK PAN), przeanalizował stan miejsca wybuchu V838 po kilkunastu latach. Wykorzystano do tego wielką sieć radioteleskopów ALMA pracującą na płaskowyżu Chajnantor w Chile i obsługiwaną przez Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO).

Mapy uzyskane dzięki interferometrowi ALMA pokazują dwie gwiazdy otoczone pyłem. Jedna z nich to pozostałość po samym zderzeniu, a druga to odległy towarzysz gwiazdowy, o którego istnieniu wiedziano od dawna, ale nie była znana jego dokładna lokalizacja. Z obserwacji ALMA wynika, że towarzysz znajduje się 250 jednostek astronomicznych od pozostałości po V838 Mon (czyli 250 razy dalej niż Ziemia od Słońca).

Oznacza to, że do zderzenia dwóch gwiazd doszło tak naprawdę w układzie potrójnym. Według ustaleń astronomów, w kolizji wzięły udział składniki wewnętrznego układu podwójnego, mające masy 8,0 oraz 0,4 masy Słońca. Z kolei oddalony towarzysz ma masę 8,0 masy Słońca i jest gorącą gwiazdą.

Dane z teleskopu ALMA pokazują również rozkład gazu molekularnego rozproszonego w trakcie erupcji z 2002 roku. Szczegóły widać dzięki emisji od molekuł tlenku węgla (CO), tlenku krzemu (SiO), tlenku siarki (SO), dwutlenku siarki (SO2), oraz wodorotlenku glinu (AlOH). Materia, która została wyrzucona w trakcie kolizji gwiazd, porusza się z prędkościami około 200 kilometrów na sekundę (72000 kilometrów na godzinę) lub nawet większymi. Z wcześniejszych obserwacji wiadomo, że część tej materii dotarła w okolice gorącego towarzysza już w 2005 roku. Materia ta jest na tyle bogata w pył, że zupełnie zasłoniła światło widzialne emitowane przez towarzysza, więc jego obserwacje nie były możliwe w zakresie optycznym przez 14 lat. Na szczęście ALMA potrafi "dojrzeć" gwiazdy nawet poprzez gęste obłoki pyłu, a nawet - paradoksalnie - to dzięki obecności pyłu widać teraz tę gwiazdę na mapach z ALMA.

W 2019 roku wyrzucona wcześniej materia dotarła już daleko poza orbitę towarzysza i utworzyła sferycznie symetryczną mgławicę wokół V838 Mon. Jeśli jednak przyjrzeć się bliżej molekułom ujętym obserwacjami ALMA, to widać, że niektóre z nich obecne są tylko w okolicy towarzysza, a inne właśnie tam zanikają. Jest to efekt zmiany składu chemicznego gazu, głównie na skutek fal uderzeniowych wywołanych oddziaływaniem grawitacyjnym gwiazdy na przepływającą wokół niej materię. Efekt ten jest znany z badań astrochemicznych, ale nigdy jeszcze nie był obserwowany tak bezpośrednio.

Czym różnią się czerwone nowe od innych rodzajów kosmicznych eksplozji? Jak tłumaczy doktor Tomasz Kamiński, energia wybuchu czerwonych nowych, czyli energia związana ze znacznym pojaśnieniem obiektu i wyrzutem materii, bierze się głównie z energii grawitacyjnej układu gwiazd. Odróżnia to czerwone nowe, czy ogólniej, zjawiska merdżerów, od wielu innych typów gwiezdnych wybuchów, takich jak nowe klasyczne czy supernowe, w przypadku których energia wybuchu pochodzi głównie z reakcji termojądrowych, które z kolei wymagają bardzo wysokich temperatur. Czerwone nowe nie wymagają tak wysokich temperatur i między innymi dlatego są bogate w pył i molekuły.

Zaledwie dwie dekady temu wydawało się, że obserwacje zderzeń gwiazd są niemożliwe. Dziś znamy już kilkanaście tego rodzaju obiektów, zarówno w naszej, jak i sąsiednich galaktykach, nie tylko badamy gwiezdne kolizje czerwonych nowych, ale dzięki zastosowaniu technik interferometrii milimetrowej możemy dostrzec szczegóły w obiektach krótko po katastrofalnym akcie gwiezdnego kanibalizmu.

- Spodziewamy się obserwować dużo więcej takich obiektów wraz z nową generacją obserwatoriów takich jak Vera C. Rubin Observatory - mówił profesor Tylenda. - Obiekty takie jak V838 Mon dają nam wgląd w najbardziej ekstremalną formę oddziaływań między gwiazdami, w tym tak zwaną fazę wspólnej otoczki (ang. common envelope). Mamy nadzieję, że badając szczegółowo V838 Mon i podobne przypadki zderzeń dowiemy się, kiedy i dlaczego dochodzi do kolizji. Ważne jest też dowiedzieć się, jakiego rodzaju gwiazdy powstają na skutek takich zderzeń, bo podejrzewa się, że wiele znanych nam gwiazd powstało w ten sposób, na przykład Betelgeza, czy gwiazda która wybuchła jako Supernowa 1987A - dodał doktor Tomasz Kamiński.

Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie "Astronomy & Astrophysics". W zespole badawczym z polskich ośrodków znajdowali się: Tomasz Kamiński (CAMK PAN, Toruń), Romuald Tylenda (CAMK PAN, Toruń), Aleksandra Kiljan (Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Warszawskiego), Mirosław Schmidt (CAMK PAN, Toruń), Krzysztof Lisiecki (Instytut Astronomii UMK, Toruń), Adam Frankowski (CAMK PAN, Toruń) oraz badacze z USA, Indii i Niemiec.