Zagadka gwiazdy, która przygasła po tysiącu lat

Theta Eridani: astronomowie rozwiązali zagadkę gwiazdy, która przez tysiąc lat świeciła dwanaście razy jaśniej

Przez ponad sto lat astronomowie spierali się, czy staro­żytni obserwatorzy nieba się pomylili, czy też naprawdę widzieli coś, czego dziś już nie ma. Ptolemeusz w II wieku n.e. i al-Sufi w X wieku zgodnie umieścili gwiazdę Theta Eridani wśród trzynastu najjaśniejszych obiektów nocnego nieba. Dziś świeci ona skromnym blaskiem, ledwie widocznym nieuzbrojonym okiem w lepszych warunkach. Nowe badania, oparte na obserwacjach interferometrycznych, w końcu wyjaśniają, co się z nią stało.

Gwiazda, która zniknęła z listy najjaśniejszych

Theta Eridani, oddalona od nas o około 167 lat świetlnych, leży w konstelacji Erydanu – mitycznej rzeki na niebie. Ptolemeusz w swoim Almageście z 137 roku n.e. opisał ją jako gwiazdę pierwszej wielkości, a al-Sufi w Księdze gwiazd stałych z 964 roku powtórzył tę ocenę. Możliwe, że podobną obserwację zanotował już w 129 roku p.n.e. Hipparchos. Tymczasem dziś Theta Eridani ma jasność wizualną V=2,9 – to różnica aż 2,7 wielkości gwiazdowej względem szacowanej jasności starożytnej (V≈0,2), największa spośród niemal tysiąca gwiazd skatalogowanych przez Ptolemeusza. Ponieważ skala jasności gwiazdowych jest logarytmiczna, oznacza to, że gwiazda niegdyś świeciła około dwunastu razy jaśniej niż obecnie.

Debata na temat tej rozbieżności trwała od końca XIX wieku – część badaczy uznawała ją za błąd trzech niezależnych, oddalonych od siebie w czasie o tysiąc lat obserwatorów. Nowa praca, opublikowana na łamach arXiv przez Idela Waisberga i Boaza Katza z Instytutu Weizmanna w Izraelu, pokazuje jednak, że starożytni mieli rację – gwiazda naprawdę przygasła, i to w sposób, który da się wytłumaczyć fizyką.

Układ potrójny w sercu zagadki

Już w 1814 roku włoski astronom Giuseppe Piazzi rozdzielił Theta Eridani na dwa składniki. Współczesne obserwacje poszły dalej: okazało się, że jaśniejszy z nich, Theta¹ Eridani, sam jest ciasnym układem podwójnym, oznaczanym jako Aa i Ab. Cała Theta Eridani jest więc układem potrójnym.

Autorzy połączyli dane interferometryczne z instrumentów PIONIER i GRAVITY zainstalowanych na Bardzo Dużym Teleskopie ESO (VLTI), widma ze spektrografów ESPaDOnS i FEROS oraz fotometrię z satelity TESS, by precyzyjnie wyznaczyć parametry orbitalne wewnętrznej pary Aa+Ab. Wyniki zaskoczyły nawet samych badaczy: to ciasny, mimośrodowy układ podwójny o półosi wielkiej zaledwie 0,083 j.a. – ponad dziesięć razy mniejszej niż odległość Ziemi od Słońca – i mimośrodzie orbity 0,105. Obie gwiazdy mają masy pośrednie, zbliżone do siebie: Aa około 2,3 masy Słońca, Ab około 2,2 masy Słońca. Co istotne, obie rozciągają się do niemal 80 procent promienia swojej powierzchni Roche’a, co powoduje wyraźne, elipsoidalne zmiany jasności widoczne w krzywej blasku TESS. Dodatkowo składnik Aa właśnie zakończył spalanie wodoru w jądrze – to bardzo krótki, przejściowy etap ewolucji gwiazdy.

Skradziona energia orbitalna jako źródło blasku

Ta niezwykła kombinacja parametrów naprowadziła autorów na mechanizm, który mógł odpowiadać za starożytny rozbłysk jasności. Zespół uważa, że w przeszłości orbita pary Aa+Ab była znacznie bardziej wydłużona (mimośród rzędu 0,6). Przy takim mimośrodzie, w momencie największego zbliżenia gwiazd, składnik pierwotny przekraczał swoją powierzchnię Roche’a i zaczynał przekazywać materię do towarzysza. Uruchomiło to długotrwałą fazę wspólnej otoczki, podczas której energia orbitalna układu była stopniowo wysysana i zamieniana w promieniowanie – to właśnie ono podbiło jasność gwiazdy na tysiąc lub więcej lat, dokładnie w okresie, w którym patrzyli na nią Hipparchos, Ptolemeusz i al-Sufi.

Po zakończeniu tego procesu orbita układu skróciła się i uspokoiła do dzisiejszego, znacznie mniej wydłużonego kształtu, a gwiazda wróciła do swojej normalnej jasności. Ciekawostką jest też los sąsiadki Theta Eridani na niebie – Achernar (Alfa Eridani), dziś najjaśniejszej gwiazdy tej konstelacji, w czasach Ptolemeusza w ogóle nie była widoczna znad Aleksandrii z powodu precesji osi Ziemi i zbyt niskiej deklinacji.

Dlaczego to ważne

Odkrycie ma znaczenie wykraczające poza samą historię jednej gwiazdy. Autorzy podkreślają, że opisany mechanizm – krótkotrwała, ale gwałtowna faza wspólnej otoczki wywołana mimośrodowym przepełnieniem powierzchni Roche’a – może być znacznie powszechniejszym etapem ewolucji ciasnych układów podwójnych, niż dotąd sądzono. Odnalezienie kolejnych takich przypadków we współczesnych przeglądach fotometrycznych, takich jak TESS czy przyszły PLATO, mogłoby pomóc zrozumieć ten krótki, ale kluczowy moment w życiu gwiazd podwójnych. To także piękny przykład na to, jak zapiski sprzed dwóch tysięcy lat mogą dziś posłużyć jako dane obserwacyjne – i jak łączenie archeoastronomii z nowoczesną interferometrią potrafi rozwiązać zagadkę, przy której nauka utknęła na ponad sto lat.

Źródła

Główne:

• Waisberg, I., Katz, B., The forgotten bright star: Theta Eridani as a millenary stellar transient observed by Hipparchus, Ptolemy and al-Sufi,
• Gough, E., To Ancient Astronomers, Theta Eridani Was Brighter For A Thousand Years. Now We Know Why,

Opracowanie: Agnieszka Nowak