Krótko po tym, jak na początku roku 2002 zaobserwowano wybuch gwiazdy, znanej w katalogach gwiazd zmiennych pod nazwą V838 Monocerotis (w skrócie V838 Mon), obiekt stał się astronomiczną sensacją. Ponad 1000-krotny wzrost jasności V838 Mon, jaki nastąpił w kilka tygodni, wywołał efekt echa świetlnego. Obrazy tego zjawiska z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a stanowią ikonę współczesnej astrofotografii. Nadświetlne echo to wynik rozproszenia światła z rozbłysku na ziarnach pyłu międzygwiezdnego. Samo pochodzenie rozbłysku okazało się niezwykłe. Jego źródłem było zderzenie dwóch młodych gwiazd. Ostatnie obrazy z interferometru ALMA pokazują system V838 Mon około 17 lat po zderzeniu i częściowo wyjaśniają okoliczności kataklizmu z 2002 roku.
W szczytowym momencie wybuchu V838 Mon była jedną z najjaśniejszych gwiazd w Lokalnej Grupie Galaktyk. Przy tak spektakularnym kosmicznym fajerwerku tym bardziej frustrujące było to, że obserwacje nie pozwalały na przypisanie zdarzenia do znanych już i często obserwowanych kosmicznych eksplozji. Debata trwała kilka lat. Charakterystyka obiektu wykluczała możliwość, że jest to jedna ze zwykłych nowych klasycznych, których w miarę jasne wybuchy mają miejsce w naszej Galaktyce kilka razy do roku. Wyjątkowo duża jasność obiektu i jego czerwony kolor zaraz po wybuchu (patrz np. obrazy echa świetlnego z Hubble’a), naprowadziły profesora Romualda Tylendę z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika (CAMK) w Toruniu (i jego współpracowników) na pomysł, że w 2002 roku doszło do zderzenia i koalescencji (zlania się w jeden obiekt) dwóch gwiazd. Hipoteza ta jest dziś powszechnie akceptowana, a obiekty podobne do V838 Mon są nazywane czerwonymi nowymi. Znamy już kilkanaście obiektów tego typu. Obserwowano je zarówno w Drodze Mlecznej, jak i w pobliskich galaktykach.
Animacja: Sekwencja obrazów echa świetlnego V838 Mon. Widoczna ekspansja jest tylko pozorna, obrazy nie odzwierciedlają ruchu materii, ale zmianę strefy odbicia światła gwiezdnej eksplozji w ośrodku międzygwiazdowym. Trzeci z obrazów sekwencji wykonano w pojedynczym filtrze i dlatego jest on cały niebieski. Źródło: Wikimedia
Ilustracja: V838 Mon znajduje się w zewnętrznej części Drogi Mlecznej, 5.9 kiloparseków (20 tys. lat świetlnych) od Słońca. To bardzo daleko, zwłaszcza jeśli chcieć zrobić szczegółowe zdjęcie miejsca zderzenia gwiazd. W zakresie światła widzialnego i bliskiej podczerwieni nie udało się uzyskać obrazu V838 Mon z wymaganą rozdzielczością. Ponieważ obiekt jest bardzo chłodny － jak na gwiazdę, która dopiero co wybuchła! － możliwe są jego obserwacje w zakresie fal milimetrowych (zakres widma pomiędzy falami radiowymi a mikrofalami). Już od kilku lat wiedziano, że okolice V838 Mon są bogate w materię molekularną i chłodny pył, ale dopiero obserwacje w 2019 roku wykonane za pomocą zestawu anten ALMA na pustyni Atakama ukazały nam pozostałość po kataklizmie czerwonej nowej w pełnej okazałości. Aby uzyskać mapy o odpowiedniej rozdzielczości, anteny ALMA należało rozstawić na niebagatelną odległość 15,2 km.
Ilustracja: Interferometr ALMA na płaskowyżu Chajnantor w Chile. W opisanych obserwacjach anteny interferometru były rozstawione na terenie o średnicy 15,2 km. Źródło: ESO/ALMA.]
Mapy zostały dokładnie przeanalizowane przez zespół prowadzony przez dra T. Kamińskiego z CAMK PAN w Toruniu w ramach badań finansowanych przez Narodowe Centrum Nauki. Polscy astronomowie mają dostęp do teleskopu ALMA poprzez członkostwo w Europejskim Obserwatorium Południowym (ESO). Wyniki zostały opublikowane w Astronomy & Astrophysics.
Jak wygląda obecnie miejsce kosmicznej katastrofy? Na obrazach widać dwie gwiazdy otoczone pyłem. Jedna z nich, to pozostałość po samym zderzeniu i zlaniu się dwóch gwiazd w jeden obiekt (z angielska merdżer). Rozdzielczość map z interferometru ALMA nie pozwala zobaczyć samej nowo-powstałej gwiazdy, ale z analizy widm optycznych wiadomo, że przypomina czerwonego nadolbrzyma o temperaturze około 3500 Kelwinów (porównywalny ze sławną Betelgezą). Czerwony nadolbrzym jest źródłem wypływu gęstej materii wyraźnie widocznego na mapach z interferometru ALMA. Druga gwiazda to odległy towarzysz nadolbrzyma. Jest to gorąca gwiazda typu B (18 tys. Kelwinów), o której istnieniu wiedziano od lat, ale nie było wiadomo, jaka jest jej lokalizacja względem systemu, który uległ kataklizmowi w 2002 roku. Dane z interferometru ALMA pokazują tę lokalizację bezpośrednio. Towarzysz znajduje się około 250 jednostek astronomicznych (tj. 250 promieni orbity Ziemi) od pozostałości po V838 Mon. Do zderzenia gwiazd doszło zatem w układzie potrójnym. Ocenia się, że kolizji uległ wewnętrzny układ podwójny, o masach 8.0 i 0.4 masy Słońca, okrążany przez towarzysza o masie 8.0 mas Słońca. Potrójny charakter układu przed rokiem 2002 jest o tyle interesujący, że od dawna przewiduje się, że w niektórych układach potrójnych musi dochodzić do destabilizacji orbit i zderzeń w następstwie tzw. cykli Kozai-Lidova. Nie jest jeszcze pewne czy efekt ten ma też zastosowanie do przypadku V838 Mon, bo zewnętrzny towarzysz jest na bardzo odległej orbicie. Jeśli orbita jest kołowa, okres obiegu towarzysza to około 1000 lat. Jeśli jednak orbita jest eliptyczna, czego nie można w pełni wykluczyć, mogło dochodzić do silnego oddziaływania pomiędzy gwiazdami, doprowadzając do zderzenia dwóch z nich. Tak czy inaczej, przypadek V838 Mon to jak dotąd jedyna znana kolizja w tzw. hierarchicznym układzie wielokrotnym.
Mapy V838 Mon uzyskane interferometrem ALMA. Mapa po lewej pokazuje rozkład pyłu w układzie. Ciepły pył w okolicy gwiazd zdradza lokalizację V838 Mon i jej towarzysza (oznaczonego jako B). Środkowy i prawy obrazek to mapy emisji molekularnej pokazanej kolorami (np. biały i czerwony kolor pokazują obszary o najsilniejszej emisji, a niebieski pokazuje obszary na granicy detekcji). Pokazane tam kontury emisji pyłu pozwalają odnieść lokalizację molekuł względem położenia gwiazd systemu. Tlenek węgla (CO) jest widoczny głównie w okolicy V838 Mon, natomiast molekuły zawierające siarkę (dwutlenek siarki SO₂ i siarkowodór H₂S) są widoczne w okolicy towarzysza, dokładnie tam, gdzie spodziewano się silnej fali uderzeniowej.
Dane z teleskopu ALMA pokazują też rozkład gazu molekularnego rozproszonego w trakcie erupcji z 2002 roku. Szczegóły widoczne są głównie dzięki emisji molekuł CO, SiO, SO, SO₂, oraz AlOH. Materia wyrzucona w trakcie kolizji gwiazd porusza się z prędkościami około 200 km/s (720 tys. km na godzinę) lub nawet większymi. Z wcześniejszych obserwacji wiadomo, że część tej materii dotarła w okolice gorącego towarzysza już w 2005 roku. Materia ta jest na tyle bogata w pył, że zupełnie zasłoniła światło widzialne emitowane przez tę gorącą gwiazdę, więc jej obserwacje nie były możliwe w zakresie optycznym przez 14 lat. Na szczęście, ALMA potrafi „widzieć” gwiazdy nawet poprzez gęste obłoki pyłu (a właściwie w tym przypadku to dzięki obecności pyłu widzimy tę gwiazdę na mapach z ALMA). W roku 2019 wyrzucona wcześniej materia dotarła już daleko poza orbitę towarzysza i utworzyła sferycznie symetryczną mgławicę wokół V838 Mon. Jeśli jednak przyjrzeć się bliżej molekułom ujętym obserwacjami ALMA, to widać, że niektóre z nich obecne są tylko w okolicy towarzysza, a inne właśnie tam zanikają. Jest to efekt zmiany składu chemicznego gazu, głównie na skutek fal uderzeniowych wywołanych oddziaływaniem grawitacyjnym gwiazdy na przepływającą wokół niej materię. Efekt ten jest znany z badań astrochemicznych, ale nigdy jeszcze nie był obserwowany tak bezpośrednio. Jako że współczesne modele chemiczne nie potrafią przewidywać dobrze składu chemicznego materii po przejściu fali uderzeniowej (szoku), ostatnie obserwacje V838 Mon mogą okazać się bardzo cenne dla badań astrochemików.
Sekwencja wydarzeń w układzie V838 Mon jest odtworzona w artystycznej wizualizacji.
Zaledwie dwie dekady temu wydawało się, że obserwacje zderzeń gwiazd są niemożliwe. Dziś nie tylko badamy gwiezdne kolizje czerwonych nowych, ale dzięki zastosowaniu technik interferometrii milimetrowej możemy dostrzec szczegóły w obiektach krótko po katastrofalnym akcie gwiezdnego kanibalizmu. Przyszłe badania pokażą, jak nowo-powstała gwiazda rotuje i czy merdżer wygenerował silne pole magnetyczne w gwieździe, jak chcieliby tego teoretycy.
Kontakt:
dr hab. Tomasz Kamiński
Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika PAN
ul. Rabiańska 8, 87-100 Toruń
Oryginalny artykuł: V838 Monocerotis as seen by ALMA: a remnant of a binary merger in a triple system, T. Kamiński, R. Tylenda, A. Kiljan, M. Schmidt, K. Lisiecki, C. Melis, A. Frankowski, V. Joshi, & K. M. Menten, Astronomy & Astrophysics
Preprint dostępny jest tutaj.
