Teleskop ALMA przez osiem lat obserwował narodziny masywnego układu podwójnego gwiazd

Większość masywnych gwiazd we Wszechświecie nie powstaje w pojedynkę, lecz w parach lub większych grupach. Mimo to astronomowie rzadko mają okazję obserwować sam proces ich powstawania — zwykle badają układy podwójne długo po tym, jak się już uformowały. Międzynarodowy zespół pod kierunkiem Yichena Zhanga ze Shanghai Jiao Tong University zdołał to zmienić, śledząc jeden obiekt nieprzerwanie przez blisko osiem lat.

Rekonstrukcja trójwymiarowej architektury układu IRAS 07299−1651: w kółku widoczny obraz ALMA centralnej pary protogwiazd z naniesionymi trajektoriami orbitalnymi, w tle — zdjęcie regionu w podczerwieni wykonane przez JWST.
*Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, J. DePasquale (STScI), ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Y. Zhang*

Jak powstają gwiazdy podwójne?

Układy podwójne to reguła, nie wyjątek — dotyczy to zwłaszcza najmasywniejszych gwiazd. Wśród czerwonych karłów podwójność stwierdza się w około jednej czwartej przypadków, wśród gwiazd podobnych do Słońca sięga niemal połowy, a wśród najgorętszych i najmasywniejszych gwiazd typu O i B przekracza 75 procent, a być może nawet 90 procent. Skoro takie pary są tak powszechne, powinny odgrywać kluczową rolę w ewolucji galaktyk — wpływają na to, jak gwiazdy kończą życie, i wzbogacają otoczenie w pierwiastki cięższe od wodoru i helu.

Tradycyjny model zakłada, że para masywnych gwiazd powstaje ze wspólnego, wirującego dysku gazu i pyłu, który z czasem fragmentuje się na dwa oddzielne zagęszczenia. Taki scenariusz przewiduje, że obie gwiazdy powinny mieć podobnie zorientowane dyski wokół siebie, dziedziczące ten sam kierunek obrotu po dysku macierzystym.

Naukowcy przyjrzeli się bliżej obiektowi IRAS 07299−1651 — układowi dwóch masywnych protogwiazd, wciąż rosnących dzięki opadającej na nie materii, oddalonemu od Ziemi o około 5500 lat świetlnych. Już w 2019 roku obserwacje wykonane za pomocą radioteleskopu ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) w Chile dostarczyły pierwszych bezpośrednich danych o dynamice tego układu. Wyniki wydawały się pasować do standardowego modelu fragmentacji dysku, lecz jeden szczegół nie dawał spokoju: dyski wokół obu gwiazd już wtedy wyglądały na wyraźnie przekrzywione względem siebie.

Osiem lat śledzenia drobnych przesunięć

Aby rozwiązać tę zagadkę, zespół przez niemal osiem lat mierzył niezwykle subtelne przesunięcia pozycji obu gwiazd na niebie — technika wymagająca ekstremalnej precyzji, w czym ALMA sprawdza się wyjątkowo dobrze. Po raz pierwszy mogliśmy obserwować, jak dwie masywne gwiazdy krążą wokół siebie, wciąż się jeszcze rodząc — powiedział Yichen Zhang, autor korespondencyjny publikacji.

Dane z ALMA połączono z obserwacjami radiowego interferometru VLA (Very Large Array) w USA oraz z obrazami w podczerwieni z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba i teleskopu VLT Europejskiego Obserwatorium Południowego. Obserwacje w podczerwieni pozwoliły wykryć dżety — strumienie materii wyrzucanej wzdłuż osi obrotu każdej z gwiazd — co dało astronomom kierunek odniesienia niezbędny do zrekonstruowania pełnej, trójwymiarowej architektury całego układu: orbity, nachylenia dysków i kierunków dżetów.

Wynik zaskoczył samych badaczy. Zamiast niemal kołowej orbity, gwiazdy poruszają się po silnie wydłużonej orbicie, zbliżonej do paraboli. A dyski wokół obu gwiazd, zamiast być wzajemnie równoległe, są ostro przekrzywione — zarówno względem siebie nawzajem, jak i względem płaszczyzny orbity. To było jak układanie trójwymiarowej łamigłówki — każda nowa obserwacja dokładała kolejny element, aż wreszcie orbita, dyski i dżety złożyły się w spójny obraz — opisała Yao Wang, pierwsza autorka pracy.

Kosmiczne spotkanie zamiast wspólnych narodzin

Taki chaotyczny, niedopasowany układ trudno wyjaśnić, jeśli obie gwiazdy dorastały razem w jednym dysku — w takim scenariuszu powinny odziedziczyć podobnie zorientowany moment pędu. Dane wskazują raczej na inną historię: gwiazdy najprawdopodobniej zaczęły formować się osobno, w odrębnych kieszeniach gazu, a dopiero potem zbliżyły się do siebie podczas przypadkowego, bliskiego spotkania grawitacyjnego, wciąż otulone wspólnym obłokiem macierzystym. Według rekonstruowanych rozwiązań orbitalnych do największego zbliżenia doszło zaledwie około 60 lat przed obecnymi obserwacjami — w skali kosmicznej to niemal chwila. Mimo tak bliskiego spotkania zwarte dyski wokół obu gwiazd przetrwały je, zachowując dobrze zdefiniowaną strukturę rotacyjną.

Badanie to pokazuje, że wczesne życie gwiazd bywa dość burzliwe — przypadkowe spotkanie doprowadziło do tego grawitacyjnego tańca i powstania pary — skomentował Jonathan C. Tan, współautor pracy.

Dlaczego to ważne i co dalej

Nie wiadomo jeszcze na pewno, czy obie gwiazdy pozostaną trwale związane grawitacyjnie. Ich obecny ruch leży blisko granicy między orbitą związaną a taką, która z czasem mogłaby się rozejść, a dalsze oddziaływanie z otaczającym gazem może jeszcze przechylić szalę w tę lub inną stronę. Rozstrzygną o tym dopiero kolejne obserwacje.

Odkrycie otwiera nową drogę badania powstawania masywnych układów podwójnych. Stosując tę samą metodę długoterminowego monitorowania do innych młodych, masywnych par gwiazd, astronomowie chcą sprawdzić, jak często bliskie spotkania — a nie wspólne narodziny w jednym dysku — budują masywne układy podwójne obserwowane dziś w naszej Galaktyce. Wyniki badania ukazały się w czasopiśmie Nature Astronomy.

Źródła:

GŁÓWNE: