Jak gwiazda neutronowa krok po kroku pożera wiatr błękitnego hiperolbrzyma
Astronomowie po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowali, jak strumień materii wypływającej z ogromnej gwiazdy opada na jej maleńkiego, lecz niezwykle gęstego towarzysza – pulsara. Dzięki japońsko-amerykańskiemu obserwatorium rentgenowskiemu XRISM udało się prześledzić ten proces z dotąd niedostępną precyzją, a wyniki opublikowano w czasopiśmie Science Advances.
Źródło: NASA Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Laboratory
Układ podwójny w Krzyżu Południa
Układ BP Crucis leży około 13 tysięcy lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Krzyża Południa. To klasyczny masywny rentgenowski układ podwójny, w którym o losie towarzysza decyduje gwiazda znacznie bardziej okazała niż Słońce.
Główny składnik, oznaczony jako Wray 977, to błękitny hiperolbrzym – gwiazda o masie około 40 razy większej od masy Słońca i promieniu aż 60 razy większym. Jest tak gorąca i jasna, że nieustannie traci materię w postaci silnego wiatru gwiazdowego, strumienia zjonizowanego gazu uciekającego w przestrzeń.
Jej towarzyszem jest gwiazda neutronowa GX 301-2 – zapadnięte jądro dawnej supernowej, mieszczące więcej niż masę Słońca w kuli o średnicy zaledwie około 20 kilometrów. Obiekt ten rotuje w tempie jednego obrotu na 11 minut i wysyła w stronę Ziemi regularną wiązkę promieniowania rentgenowskiego, co czyni go pulsarem.
Pulsar okrąża hiperolbrzyma w cyklu trwającym 41,5 dnia. Dwukrotnie w trakcie tej orbity, w pobliżu punktów najbliższego i najdalszego przejścia, dochodzi do silnych, kilkudniowych rozbłysków rentgenowskich. Naukowcy przypuszczają, że grawitacja pulsara zagęszcza w tych miejscach strumień wiatru gwiazdowego, a przechodząc przezeń, obiekt zagarnia część materii – im gęstszy strumień bliżej gwiazdy, tym silniejszy wybuch.
Co pokazały widma z instrumentu Resolve
Do obserwacji układu naukowcy wykorzystali XRISM 1 lutego 2025 roku, rejestrując dane przez około 16 godzin pod koniec jednego z silniejszych rozbłysków. Kluczową rolę odegrał instrument Resolve – mikrokalorymetr rentgenowski zbudowany wspólnie przez NASA i japońską agencję JAXA, który dostarczył widma o niespotykanej dotąd szczegółowości.
W widmach pojawiły się linie absorpcyjne wysoce zjonizowanego żelaza, przesunięte w stronę niższych energii względem wartości mierzonych w laboratorium. Takie przesunięcie ku czerwieni oznacza, że gaz oddala się od obserwatora – co w geometrii tego układu jest równoznaczne z ruchem materii wprost na pulsara. Analiza wielkości przesunięcia pozwoliła oszacować prędkość tego strumienia na około 540 tysięcy kilometrów na godzinę.
Nigdy wcześniej nie widzieliśmy tak wyraźnych oznak opadania plazmy wiatru na obiekt zwarty – powiedział Roi Rahin z Uniwersytetu Maryland w Baltimore County (UMBC) oraz Centrum Lotów Kosmicznych imienia Goddarda NASA, główny autor badania. Jak dodała współautorka Nazma Islam, wcześniej związana z tymi samymi ośrodkami, a obecnie pracująca w Manipal Centre for Natural Sciences w Indiach, dane pozwoliły prześledzić zachowanie gęstego strumienia plazmy w bezpośrednim sąsiedztwie gwiazdy neutronowej.
Na podstawie obserwacji naukowcy zrekonstruowali cały przebieg zjawiska, trwającego w sumie około czterech dni. Gdy pulsar wchodzi w strumień wiatru, wokół niego formuje się gęsty, burzliwy dysk akrecyjny, z którego materia opada po spirali, rozgrzewając się i emitując promieniowanie rentgenowskie odpowiedzialne za rozbłysk. W miarę jak pulsar zagłębia się w strumień, dysk traci stabilność i zanika, bo brakuje mu wystarczającego momentu pędu. Właśnie w tej fazie, gdy plazma spada na gwiazdę neutronową już bez pośrednictwa dysku, przeprowadzono obserwacje XRISM. Pod koniec przejścia dysk odtwarza się na krótko, tym razem wirując w przeciwnym kierunku, po czym znika wraz z opuszczeniem strumienia przez pulsara.
Dlaczego to ważne i co dalej
Do tej pory teoretyczne modele akrecji zasilanej wiatrem gwiazdowym opierały się głównie na symulacjach i pośrednich przesłankach. Tak szczegółowe, bezpośrednie potwierdzenie kierunku i prędkości opadającej materii pozwala po raz pierwszy zweryfikować te modele wprost na podstawie obserwacji.
Jak podkreślił Brian Williams, naukowiec projektu XRISM w Centrum Goddarda, układ BP Crucis jest wręcz wymarzonym laboratorium do badania akrecji zasilanej wiatrem, a czuły spektrometr Resolve – idealnym narzędziem do tego zadania.
Misja XRISM, prowadzona przez JAXA we współpracy z NASA i Europejską Agencją Kosmiczną, wystartowała w 2023 roku i wyróżnia się rozdzielczością energetyczną około dziesięciokrotnie lepszą niż poprzednie instrumenty rentgenowskie. Dzięki temu pozwala dostrzegać w widmach subtelne detale niedostępne wcześniejszym obserwatoriom – a takie układy jak BP Crucis mogą w kolejnych latach dostarczyć jeszcze więcej informacji o fizyce akrecji wokół gwiazd neutronowych i czarnych dziur.
Źródła
Główne:
- NASA Science, NASA-JAXA XRISM Mission Sees Pulsar Gathering Companion’s 'Wind’,
- Rahin R. i in., Superdense neutron star caught feeding on a blue hypergiant’s stellar wind,
Kontekstowe:
Opracowanie: Agnieszka Nowak
