Astronomowie rozwikłali zagadkę gamma Cassiopeiae, którą badano od 1866 roku

Zespół kierowany przez Yaël Nazé z Uniwersytetu w Liège w Belgii zdołał wreszcie ustalić przyczynę nietypowego promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez gwiazdę gamma Cassiopeiae. Dzięki precyzyjnym danym z Misji Obrazowania i Spektroskopii X (XRISM) okazało się, że emisja rentgenowska jest ściśle związana z ruchem orbitalnym towarzyszącego jej białego karła. Szczegóły badania trafiły na łamy czasopisma Astronomy & Astrophysics.

Od dziesięcioleci wiele grup badawczych intensywnie pracuje nad rozwiązaniem zagadki gamma-Cas. I teraz, dzięki precyzyjnym obserwacjom XRISM, w końcu nam się to udało

Yaël Nazé, Uniwersytet w Liège

Tajemnica przesiąknięta historią

Gamma Cassiopeiae daje się dostrzec z Europy w każdą pogodną noc, tworząc centralny punkt charakterystycznego, przypominającego literę „W” gwiazdozbioru Kasjopei.

Mimo że gwiazda jest tak łatwo widoczna gołym okiem, jej natura pozostawała niewyjaśniona od 1866 roku, gdy włoski astronom Angelo Secchi zauważył w jej widmie coś niepokojącego. Linia wodoru, która u gwiazd takich jak Słońce zwykle przyjmuje postać ciemnego prążka, u gamma Cassiopeiae świeciła jasno.

Ta osobliwość dała początek zupełnie nowej kategorii gwiazd – tak zwanym gwiazdom typu Be. Litera „B” odnosi się do gorących, niebiesko-białych i masywnych gwiazd, natomiast „e” pochodzi od nietypowej emisji wodoru.

Dopiero po kilkudziesięciu latach badacze ustalili, że owa emisja pochodzi z wirującego dysku materii, wyrzucanej przez szybko wirującą gwiazdę. Taki dysk może z czasem powstawać i zanikać, co powoduje wahania jasności obiektu – dlatego do dziś cieszy się on popularnością wśród astronomów amatorów.

Postęp w technikach obserwacyjnych umożliwił śledzenie ruchu gamma Cassiopeiae, co ujawniło obecność niewielkiego towarzysza. Ponieważ nie udało się go dostrzec bezpośrednio przez teleskopy, naukowcy podejrzewali, że chodzi o białego karła – zwarty obiekt o masie porównywalnej ze Słońcem, ale rozmiarach zbliżonych do Ziemi.

W połowie lat 70. XX wieku doszło do kolejnego zwrotu w tej historii – odkryto, że gamma Cassiopeiae emituje nietypowo silne promieniowanie rentgenowskie o wysokiej energii. Kolejne analizy wykazały, że źródłem tego promieniowania jest niezwykle rozgrzana plazma o temperaturze sięgającej 150 milionów stopni, świecąca z jasnością blisko 40-krotnie większą, niż spodziewano się w przypadku gwiazd o takiej masie.

Wraz z pojawieniem się kosmicznych teleskopów rentgenowskich, takich jak XMM-Newton (Europejska Agencja Kosmiczna), Chandra (NASA) oraz niemiecki eROSITA, astronomowie zidentyfikowali około dwudziestu gwiazd o podobnej charakterystyce promieniowania, tworząc tym samym odrębną grupę wśród gwiazd typu Be, nazywaną obiektami typu gamma-Cas.

Dwie ostatnie teorie

Przez długi czas wyjaśnienie fenomenu sprowadzało się do rywalizacji dwóch hipotez. Pierwsza zakładała, że za powstawanie gorącej materii odpowiada oddziaływanie lokalnego pola magnetycznego gwiazdy z polem magnetycznym otaczającego ją dysku. Druga sugerowała, że promieniowanie rentgenowskie powstaje wskutek opadania materii z dysku gwiazdy typu Be na towarzyszącego jej białego karła.

Rozstrzygnięcie sporu wymagało instrumentu o wyjątkowo wysokiej precyzji – takim urządzeniem okazał się spektrometr wysokiej rozdzielczości Resolve, wchodzący w skład misji XRISM. W trakcie specjalnie zaplanowanej kampanii obserwacyjnej udało się wykazać, że sygnały pochodzące od gorącej plazmy podążają za ruchem orbitalnym niewidocznego towarzysza gwiazdy. Oznacza to, że to biały karzeł wysysa materię z gamma Cassiopeiae, a proces ten generuje obserwowane promieniowanie rentgenowskie.

Poprzednie prace z wykorzystaniem XMM-Newton naprawdę utorowały drogę dla XRISM, umożliwiając nam wyeliminowanie wielu teorii i udowodnienie, która z dwóch ostatnich konkurujących teorii była poprawna. To niezwykle satysfakcjonujące, że w końcu mamy bezpośrednie dowody na rozwiązanie tej zagadki!

Yaël Nazé, Uniwersytet w Liège

Ustalenie, że obiekty typu gamma-Cas to gwiazdy Be posiadające towarzysza w postaci akreującego materię białego karła, zamyka jedną zagadkę, ale otwiera kolejną – dotyczącą tego, jak powstają i ewoluują tego rodzaju układy podwójne.

Dotychczas naukowcy zakładali, że takie pary powinny być dość powszechne, zwłaszcza wśród gwiazd o niewielkiej masie. Najnowsze badania pokazują jednak coś przeciwnego – układy tego typu występują rzadziej, niż sądzono, i to głównie w towarzystwie masywnych gwiazd Be.

Uważamy, że kluczem jest zrozumienie, jak dokładnie zachodzą interakcje między tymi dwiema gwiazdami. Teraz, gdy znamy prawdziwą naturę gwiazd gamma-Cas, możemy tworzyć modele specjalnie dla tej klasy układów gwiezdnych i odpowiednio aktualizować naszą wiedzę na temat ewolucji układów podwójnych

Yaël Nazé, Uniwersytet w Liège

Ten wspaniały wynik podkreśla silną współpracę japońskich, europejskich i amerykańskich zespołów XRISM. Ten międzynarodowy zespół łączy w sobie wiedzę techniczną i naukową niezbędną do rozwiązania największych tajemnic Wszechświata w zakresie promieniowania rentgenowskiego i otwarcia nowych dróg badań

Matteo Guainazzi, naukowiec projektu XRISM w ESA

Źródło: Spider's Web