Gwiazdy Wolfa–Rayeta pod lupą OGLE: nowy typ gwiezdnych „kaprysów”

Wilkołaki wśród gwiazd – co to są gwiazdy Wolfa–Rayeta?

Gwiazdy Wolfa–Rayeta (WR) to jedne z najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie. To bardzo masywne, gorące gwiazdy, które zrzuciły już dużą część swoich zewnętrznych warstw i odsłoniły produkty reakcji jądrowych zachodzących w ich wnętrzu. W ich widmach widać przede wszystkim linie helu, azotu albo węgla i tlenu, a nie wodoru, którego większość została wywiana w silnym wietrze gwiazdowym.

Takie gwiazdy żyją krótko, ale intensywnie: ich wiatry osiągają prędkości rzędu tysięcy kilometrów na sekundę i wyrzucają w kosmos ogromne ilości materii. Uważa się, że wiele z nich zakończy życie jako spektakularne supernowe, a część – być może – jako źródła fal grawitacyjnych powstających przy zlewaniu się powstałych po wybuchu czarnych dziur. Zrozumienie ich zachowania to w praktyce badanie ostatnich oddechów największych gwiazd.

Nowa praca opublikowana właśnie w serwisie arXiv i przyjęta do Astronomy & Astrophysics pokazuje, że te gwiezdne wilkołaki są jeszcze bardziej kapryśne, niż dotąd sądzono – i że potrafią wybuchać w sposób, którego wcześniej u gwiazd Wolfa–Rayeta nie obserwowano.

Polski ślad: OGLE i Obłoki Magellana

Nowe wyniki pochodzą z analizy danych fotometrycznych z projektu OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), prowadzonego od lat 90. XX wieku przez zespół z Uniwersytetu Warszawskiego. Teleskop Warszawski w obserwatorium Las Campanas w Chile od ponad trzech dekad monitoruje miliony gwiazd w naszej Galaktyce i jej sąsiadkach, zbierając długie, wieloletnie serie pomiarów jasności.

Szczególnie ważnym celem OGLE są Wielki i Mały Obłok Magellana – dwie stosunkowo bliskie galaktyki satelitarne Drogi Mlecznej. To tam znajduje się wiele bardzo młodych, masywnych gwiazd, w tym liczna populacja gwiazd Wolfa–Rayeta. Nowa praca dotyczy podgrupy tych obiektów: tak zwanych gwiazd typu WN, czyli takich, w których widmie dominują linie azotu (N – nitrogen).

Autorki i autorzy badania zebrali próbę 47 domniemanych samotnych (bez bliskiego towarzysza) gwiazd WN w Obłokach Magellana, dla których OGLE posiada wieloletnie, dobrze próbkowane krzywe blasku. Co ważne, to gwiazdy pozbawione podejrzanych pobliskich obiektów w danych z misji Gaia – wszystko po to, by zminimalizować ryzyko, że zmienność wynika np. z nakładania się kilku gwiazd.

Co badano w nowych danych?

Zespół analizował przede wszystkim:

• ogólne rozrzuty jasności (czy gwiazda jest cicha, czy raczej ciągle migoce),
• obecność okresowości – czyli powtarzalnych zmian jasności z okresem od 2 do 56 dni,
• bardziej złożone, nieregularne epizody rozjaśnień przypominające wybuchy.

Dla części obiektów wyniki OGLE porównano też z wcześniejszymi danymi fotometrycznymi z projektów MACHO i z obserwacjami z satelity TESS, co pozwoliło zweryfikować, czy wykryte okresy i typy zmienności są rzeczywiste, a nie efektem przypadkowych szumów czy luk w danych.

Prawie wszystkie się zmieniają

Jak często gwiazdy Wolfa–Rayeta kapryszą?

Najbardziej uderzający wniosek jest prosty: zmienność jasności jest w tej grupie gwiazd praktycznie powszechna.

• Około jedna trzecia badanych obiektów wykazuje dużą zmienność fotometryczną.
• Jeśli doliczyć przypadki z umiarkowanymi zmianami, aż około 80% gwiazd w próbie jest wyraźnie zmiennych.

Innymi słowy – spokojne, niemigoczące gwiazdy Wolfa–Rayeta należą w Obłokach Magellana do mniejszości. To spójne z wcześniejszymi badaniami spektroskopowymi, które pokazywały, że ponad jedna trzecia galaktycznych gwiazd WR ma duże, uporządkowane zmiany w liniach widmowych, a niemal połowa – mniejsze fluktuacje związane z grudkami w wietrze gwiazdowym.

Zwykła zmienność okresowa

W 11 przypadkach zespół wykrył jasne, powtarzające się sygnały okresowe o czasach od 2 do 56 dni. Co może za nimi stać?

Rozważane są trzy główne scenariusze:

• Współrotujące struktury w wietrze gwiazdowym – wiatry masywnych gwiazd nie są gładkie, lecz poszatkowane. W modelu tzw. współrotujących obszarów oddziaływania (CIR – co-rotating interaction regions) w strumieniu materii pojawiają się spiralne zagęszczenia, które krążą razem z gwiazdą. Gdy taka struktura przechodzi przed nami, gwiazda może nieznacznie jaśnieć lub ciemnieć, dając periodyczny sygnał.
• Ukryty towarzysz – jeśli gwiazda WR ma kompana na orbicie, to zmiany jasności mogą wynikać np. z zaćmień, odbicia światła lub oddziaływania wiatr–wiatr w układzie podwójnym.
• Pulsacje – najmniej intuicyjna hipoteza, ale możliwa: część masywnych gwiazd może dosłownie oddychać, okresowo się rozszerzając i kurcząc. Takie pulsacje zmieniają temperaturę powierzchni i jasność.

W praktyce u konkretnego obiektu często trudno od razu wskazać jedną, ostateczną przyczynę. Nowa praca głównie pokazuje, że tego typu okresowe zachowania wśród gwiazd WN są dużo częstsze, niż dotąd sądzono.

Nowy typ zmienności: wybuchowe gwiazdy Wolfa–Rayeta

Najbardziej zaskakującym odkryciem jest jednak inny rodzaj kaprysów. Aż dziewięć gwiazd w próbie wykazuje quasi-okresowe wybuchy jasności, jakich dotychczas nie kojarzono z gwiazdami Wolfa–Rayeta.

Nie są to supernowe – po każdym takim epizodzie gwiazda wraca do poprzedniego stanu. W krzywych blasku wygląda to jak seria krótkotrwałych rozjaśnień, które:

• pojawiają się co jakiś czas,
• mają podobny, ale nie idealnie stały odstęp (stąd określenie „quasi-okresowe”),
• potrafią całkowicie zniknąć na pewien czas, by później znów się pojawić.

Tego typu zachowanie autorzy pracy proponują traktować jako nowy rodzaj zmienności fotometrycznej gwiazd Wolfa–Rayeta. Co może je powodować? Na razie nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Kandydatami są m.in.:

• niestabilności w górnych warstwach gwiazdy, prowadzące do epizodycznych wzmocnień wiatru,
• nagłe, ale stosunkowo niewielkie epizody wyrzutu materii z powierzchni gwiazdy,
• oddziaływanie z towarzyszem na bardzo wydłużonej orbicie, który tylko czasami rozsierdzi wiatry gwiazdy WR.

Bez szczegółowych modeli i dodatkowych danych spektroskopowych trudno rozstrzygnąć, który z tych mechanizmów dominuje. Sama detekcja takich wybuchów jest jednak istotnym krokiem: pokazuje, że dotychczasowy obraz ciągłego, chaotycznego wiatru to za mało – przynajmniej dla części gwiazd Wolfa–Rayeta.

Zmienność włączana i wyłączana

Gwiazdy, które zmieniają… sposób zmieniania się

Kolejna ciekawa cecha to zmienność zmienności. Około 30% gwiazd w próbie zachowuje się inaczej w różnych okresach obserwacji:

• okresowy sygnał może w jednym sezonie być wyraźny, a w innym zaniknąć,
• amplituda wahań (różnica między maksimum a minimum jasności) potrafi się istotnie zmienić,
• w części gwiazd charakter zmian ewoluuje w czasie – z gładkiej periodycznej krzywej w bardziej wybuchowe zachowanie, albo odwrotnie.

To wskazuje, że procesy napędzające zmienność – niezależnie, czy chodzi o struktury w wietrze, pulsacje, czy interakcje w układzie podwójnym – same są dynamiczne. Gwiazda może przez pewien czas utrzymywać stabilny układ strug wiatru, by po latach go przeorganizować i tym samym zmienić wzór wahań jasności.

Długookresowe tętnienie

Autorzy zidentyfikowali także sześć gwiazd jako długookresowe zmienne; w czterech przypadkach okresy potwierdziły niezależnie co najmniej dwa różne przeglądy (OGLE i MACHO lub TESS). Oznacza to, że u części gwiazd Wolfa–Rayeta zachodzą powolne zmiany, rozciągnięte na wiele tygodni lub miesięcy.

Takie długie okresy mogą być powiązane na przykład z:

• bardzo wolnymi pulsacjami,
• ruchem po orbicie w rozległym, szerokim układzie podwójnym,
• powolnymi zmianami w strukturze wiatru na dużych odległościach od gwiazdy.

Dlaczego to ważne dla kosmicznej ewolucji?

Zmiany jasności to w tym przypadku przede wszystkim sygnatury zmian w wietrze gwiazdowym. A to właśnie wiatr – czyli utrata masy – w dużej mierze decyduje o tym, jak masywna gwiazda zakończy życie: jaką supernową wybuchnie, czy pozostawi po sobie czarną dziurę czy gwiazdę neutronową, i o jakiej masie.

Nowe wyniki sugerują, że:

• ogromna większość gwiazd WN nie traci masy w sposób zupełnie stały i jednorodny,
• wiatry są nie tylko poszatkowane na małe grudy, ale też mogą zawierać duże, spiralne struktury (CIR), powiązane z rotacją gwiazdy,
• dodatkowo część gwiazd przechodzi przez epizodyczne wybuchy, które mogą chwilowo znacznie zwiększać tempo utraty masy.

Dla modeli ewolucji masywnych gwiazd to poważne wyzwanie. Teoria musi uwzględnić nie tylko średni strumień materii, ale też fakt, że utrata masy może być poszarpana w czasie – z okresami spokojniejszymi i epizodami gwałtownego przeciągu wokół gwiazdy.

Rola dużych przeglądów – i co dalej?

Praca Marković i współpracowników dobrze ilustruje, jaką moc mają długotrwałe, systematyczne przeglądy fotometryczne. Tylko dzięki temu, że OGLE obserwuje te same obszary nieba od dekad, możliwe było:

• uchwycenie zarówno krótkich okresów rzędu kilku dni, jak i zmian rozciągniętych na lata,
• porównanie zachowania tej samej gwiazdy w różnych epokach,
• połączenie danych z różnych instrumentów (OGLE, MACHO, TESS) w spójny obraz.

Następne kroki są dość oczywiste:

• Obserwacje spektroskopowe najbardziej interesujących obiektów, zwłaszcza tych z nowymi typami wybuchów, aby sprawdzić, czy towarzyszą im zmiany w liniach widmowych (np. sygnatury wzmocnionego wiatru lub obecność towarzysza).
• Modelowanie teoretyczne nowych form zmienności, w szczególności quasi-okresowych wybuchów – czy da się je wytłumaczyć niestabilnościami w zewnętrznych warstwach gwiazdy, czy trzeba sięgnąć po scenariusze z udziałem układów podwójnych?
• Porównanie z gwiazdami w innych galaktykach, aby sprawdzić, na ile zachowanie gwiazd Wolfa–Rayeta zależy od metaliczności (czyli bogactwa w cięższe pierwiastki), która w Obłokach Magellana jest niższa niż w Drodze Mlecznej.

Dzięki takim pracom krok po kroku zbliżamy się do celu: przewidzenia, jak dokładnie masywna gwiazda dotrze do swojego finału i jakie zjawiska astronomowie zaobserwują, gdy już wybuchnie.

Źródła:

• J. Marković et al., Photometric variability of nitrogen-rich Wolf-Rayet stars in Magellanic Clouds with OGLE, arXiv:2602.05820, accepted to Astronomy \& Astrophysics.
• Artykuł A\&A: Photometric variability of nitrogen-rich Wolf-Rayet stars in Magellanic Clouds with OGLE (wersja wydawnicza).
• A. Moffat et al., A Systematic Search for Corotating Interaction Regions in Apparently Single Galactic Wolf-Rayet Stars (część I–II): przegląd spektroskopowej zmienności i struktur CIR w wiatrach gwiazd WR.
• W.‑R. Hamann et al., The Wolf-Rayet stars in the Large Magellanic Cloud: A comprehensive analysis of the WN class: ogólne własności gwiazd WN w LMC.
• Opisy projektu OGLE i jego kolejnych faz na stronie zespołu (OGLE-II, III, IV).

Opracowanie: Agnieszka Nowak