Czy astronomowie mogą przewidzieć, które gwiazdy eksplodują jako supernowe?

W niedawnym badaniu przesłanym do High Energy Astrophysical Phenomena, zespół naukowców z Japonii omawia strategie obserwacji i prawdopodobnie przewidywania sygnatur prekursorów eksplozji lokalnych supernowych typu II i galaktycznych (SNe). Badanie to może pomóc nam lepiej zrozumieć, jak i kiedy supernowe mogą wystąpić w całym wszechświecie, przy czym supernowe są mnogą formą supernowych (SN). Ale jak ważne jest wykrycie supernowych, zanim się pojawią?

Z mojej perspektywy jest to ważne w dwóch aspektach. Po pierwsze, chociaż wiemy, że supernowe (SNe) to eksplozje sygnalizujące śmierć masywnych gwiazd, to, co dzieje się pod koniec ich życia, wciąż pozostaje tajemnicą. W rzeczywistości prekursorów SN, sugerowanych w ostatnich pracach obserwacyjnych, nie przewiduje się na podstawie standardowej teorii ewolucji gwiazd. Nasz artykuł twierdzi, że możemy dogłębnie zbadać tego prekursora dzięki przyszłym obserwacjom, które mogą pomóc pogłębić nasze zrozumienie ewolucji gwiazd i udoskonalić istniejącą teorię. Po drugie, znalezienie prekursora SN pozwoliłoby na bardzo wczesne zaalarmowanie o zbliżającym się SN i pomoże wydłużyć dostępne ramy czasowe w celu koordynowania wielu komunikatorów (światło, neutrina itp).powiedział dr Daichi Tsuna, który jest astrofizykiem w Centrum Badawczym Wczesnego Wszechświata na Uniwersytecie w Tokio i głównym autorem badania.

Do badań naukowcy wykorzystali kod open-source CHIPS (Complete History of Interaction-Powered Supernovae), aby stworzyć teoretyczny model takiego wyładowania z masowej erupcji czerwonego nadolbrzyma. Jest to intrygujące, ponieważ gwiazda Betelguese, którą w 2019 zaobserwowano, że przyciemniała jasność , wywołując dyskusje na temat możliwej przemiany w supernową, jest również czerwonym nadolbrzymem. Jak się okazuje, Betelguese zbliża się do końca swojego życia, ale badania z 2021 r. wykazały, że nie ma eksplodować przez kolejne 100 000 lat. Ale jakie konsekwencje mogą mieć te badania dla Betelguese?

Betelgeuse to czerwony nadolbrzym, dokładnie taki sam rodzaj gwiazdy, jaki badaliśmy w tym artykule. Tak więc, jeśli Betelgeuse miałaby eksplodować bardzo szybko, może wykazywać ten rodzaj emisji prekursora tuż przed SN. Ponieważ Betelgeuse jest bardzo blisko nas, detektory neutrin mogą znaleźć neutrina emitowane już na kilka dni przed SN. Możemy robić astronomię z wieloma posłańcami jeszcze przed wybuchem SN!wyjaśnia dr Tsuna.

Wyniki badania wskazują, że krzywe światła erupcji są napędzane krótkim impulsem fali uderzeniowej trwającym tylko kilka dni, po czym następuje znacznie dłuższe wyładowanie chłodzące trwające setki dni. W przypadku erupcji o niższej energii, po tym okresie następuje okres słabego szczytu, napędzany przez tak zwaną obwiednię związaną, cofającą się. Badanie kończy się stwierdzeniem, że takie masowe erupcje, mogą służyć jako wczesne ostrzeżenie przed niedalekim SN w niedalekiej przyszłości, co będzie ważne dla wielokomunikacyjnych badań nad zapadnięciem się rdzenia SNe.

Jedną rzeczą, którą chciałbym podkreślić, jest to, że mamy przed sobą świetlaną przyszłość, aby wykryć tego rodzaju raczej niewyraźne prekursory. Na przykład za kilka lat Obserwatorium Rubina przeprowadzi szerokokątne obserwacje badawcze z czułością znacznie głębszą niż obecne badania. Byłby wystarczająco czuły, aby faktycznie wykryć tego rodzaju emisje i może być sondą niezwykłych końcowych etapów życia masywnej gwiazdy.powiedział dr Tsuna.

Zaledwie 2000 lat temu Betelgeza była żółtą, a nie czerwoną gwiazdą

W porównaniu z długością życia gwiazd życie ludzkie jest dość krótkie. Gwiazdy takie jak Betelgeuse (w Orionie) żyją miliony lat. Inne istnieją od miliardów lat. My (jeśli mamy szczęście) dostajemy może 100 lat (mniej więcej). Tak więc, dla nas, gwiazdy nie zmieniają się zbytnio w ciągu naszego życia, chyba że wybuchną jako supernowe. Okazuje się, że Betelgeuse doświadczyła w tym czasie oczywistych zmian – i to bardzo wyraźnych. I te zmiany są w zapisie historycznym. W rzeczywistości Betelgeuse była śledzona od tysięcy lat. W roku 1800 p.n.e. astronom z Chin Sima Qian zauważył, że Betelgeuse ma bogaty, żółtawy kolor. To wcale nie przypomina tego, jak to wygląda w dzisiejszych czasach. Na naszym nocnym niebie jest bardziej czerwonawo-pomarańczowa.

Qian nie był jedynym obserwatorem nieba, który zarejestrował kolor tej gwiazdy. Opierając się na zapisach historycznych, sto lat po Qian, rzymski obserwator Hyginus opisał go jako żółto-pomarańczowy, jak Saturn. Jednak prawie dwa tysiące lat później, około 2 rne, astronom Klaudiusz Ptolemeusz zauważył, że była to „jasna, czerwonawa gwiazda”. To duża zmiana w ciągu kilku tysięcy lat. I to trwało. W XVI wieku astronom Tycho Brahe zauważył, że gwiazda była bardziej czerwona niż Aldebaran (w Byku). Wielu obserwatorów porównywało go również do czerwieni Antaresa (innego nadolbrzyma).

Zmiana kolorów wskazuje na zmianę wewnętrzną

Według astronoma Ralpha Neuhäusera z Uniwersytetu w Jenie w Niemczech, gwałtowna zmiana koloru dotyczy tak naprawdę ewolucji.

Sam fakt, że zmieniła kolor w ciągu dwóch tysiącleci z żółto-pomarańczowego na czerwony mówi nam, wraz z obliczeniami teoretycznymi, że ma 14 razy masę naszego Słońca – a masa jest głównym parametrem określającym ewolucję gwiazd, Betelgeuse ma teraz 14 milionów lat i znajduje się w późnej fazie ewolucji. Za około 1,5 miliona lat w końcu wybuchnie jako supernowa.powiedział Neuhäusera.

Neuhäuser wraz z kolegami zbadał zapisy historyczne dotyczące obserwacji wielu gwiazd. Swoje wnioski przedstawili w artykule opublikowanym w MNRAS. Dla Betelgeuse napisali:

Zmiana koloru Betelgeuse jest nowym, ścisłym ograniczeniem dla jednogwiazdkowych teoretycznych modeli ewolucyjnych (lub modeli łączenia). Najprawdopodobniej znajduje się mniej niż tysiąc lat za dnem gałęzi czerwonego olbrzyma, przed którym spodziewana jest szybka ewolucja koloru. Ścieżki ewolucyjne z MIST zgodne zarówno z ewolucją koloru, jak i lokalizacją na CMD sugerują masę ~14 Ms przy ~14 Myr.

Kolor: wskazówka dotycząca starzenia się Betelgeuse

A więc, co dzieje się z tą masywną starą gwiazdą, która powoduje, że zmienia ona kolor tak szybko, że ludzie mogą naocznie śledzić jej zmiany w czasie? Jako gwiazda taka jak Betelgeuse starzeje się, zmienia się jej jasność, rozmiar i kolor. Te właściwości dostarczają astronomom wskazówek co do wieku i masy gwiazd. Zasadniczo, gdy w jądrze Betelgeuse zabrakło wodoru, ewoluowała z żółto-białej gwiazdy w czerwonego nadolbrzyma. W kategoriach astrofizycznych przekroczył lukę Hertzsprunga, co oznacza, że ​​zatrzymał spalanie wodoru w jądrze. W miarę starzenia się Betelgeuse doświadczyła utraty masy i zaczęła się ochładzać. Zmiana koloru zajęła mu tylko kilka tysięcy lat. Oznacza to, że ta ewolucja była dość szybka. Zwykle ewoluują od niebiesko-białych karłów do czerwonych nadolbrzymów w ciągu kilku tysiącleci. Betelgeuse zrobiła to na dwie części, co wskazuje na jej masę, i na tej podstawie naukowcy z Jeny mogli ustalić jej wiek. Okazuje się więc, że zmiana koloru obserwowana na przestrzeni wieków między obserwacjami Sima Qian a Ptolemeuszem (z białego na czerwony) jest cechą charakterystyczną tej ewolucji.

Historia pomaga zbadać lukę Hertzsprunga

Pomysł wykorzystania ewolucji kolorów do zbadania luki Hertzsprunga (koniec spalania wodoru w Betelgeuse i innych podobnych gwiazdach) jest nowatorskim sposobem śledzenia ich ewolucji fizycznej. Ogólnie rzecz biorąc, takie zmiany koloru powinny być zbyt wolne w porównaniu z życiem ludzkim. Naukowcy muszą również wziąć pod uwagę różne postrzeganie kolorów przez obserwatorów oraz inne kwestie, które pojawiają się podczas korzystania z danych historycznych. Jednak wyraźnie zapisy dotyczące Betelgeuse przyciągają uwagę. Szybkość zmian jest wskazówką do pewnego procesu w Betelgeuse, który pomógł jej szybko „przeskoczyć lukę”. Czy zdarza się to innym gwiazdom? Naukowcy zbadali również inne gwiazdy, aby zobaczyć, jak zmieniały się ich kolory w czasie. W szczególności porównali Antaresa, który pozostał czerwony od starożytności do czasów współczesnych.

Obserwowane właściwości (jasność, kolor, temperatura, skład chemiczny itp.) Betelgeuse i innych gwiazd, których kolory zostały odnotowane na przestrzeni dziejów, mogą dostarczyć dalszych informacji na temat fizyki w czasie ewolucji tych gwiazd. Oczywiście astronomowie będą musieli dokładnie skalibrować obserwacje historyczne na podstawie dzisiejszych danych. Ale ta informacja powinna pomóc w zlokalizowaniu mas gwiazd z jeszcze większą precyzją. Jak stwierdzają autorzy we wnioskach w swoim artykule:

Może to zapewnić dalszy wgląd w fizykę wnętrz gwiazd i późną ewolucję nadolbrzymów (oraz czas, jaki pozostał do przejścia na supernową). Historyczna ewolucja kolorów jest nowym, ścisłym ograniczeniem zarówno dla jednogwiazdkowych modeli ewolucyjnych, jak i modeli fuzji Betelgeuse.