Trzyletnie badania młodych gwiazd za pomocą teleskopu Hubble’a rozpoczynają nowy rozdział

Grafika w dwóch, ułożonych na sobie częściach. Górna część przedstawia mniej więcej okrągły, przypominający wieniec obszar czerwonych, pomarańczowych, beżowych, brązowych i zielonych chmur z wieloma pasmami i włóknami. W centrum tej przypominającej wieniec struktury znajduje się ciemna wnęka wypełniona setkami błyszczących, niebieskich gwiazd. Gwiazdy nie są rozmieszczone równomiernie, więcej znajduje się w prawej połowie zdjęcia. Niektóre niebieskie gwiazdy pojawiają się także na wierzchu otaczających je delikatnych chmur. Dolna część grafiki przedstawia żółtawo-białą gwiazdę otoczoną koncentrycznymi, mętnymi pierścieniami o coraz większych rozmiarach. Pierścienie te są żółtawo-białe najbliżej gwiazdy i stają się ciemniejsze w miarę oddalania się. Pierścienie najdalsze od gwiazdy wydają się ognisto pomarańczowe, a następnie stają się półprzezroczyste, gdy schodzą na czarne tło.
W ramach największego i jednego z najbardziej ambitnych programów Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, jaki kiedykolwiek przeprowadzono, zespół naukowców i inżynierów zebrał informacje o prawie 500 gwiazdach w ciągu trzech lat. Wysiłki te oferują nowy wgląd w powstawanie, ewolucję i wpływ gwiazd na ich otoczenie.

To kompleksowe badanie o nazwie ULLYSES (Ultraviolet Legacy Library of Young Stars as Essential Standards) zostało ukończone w grudniu 2023 r. i zapewnia bogaty zbiór danych spektroskopowych uzyskanych w świetle ultrafioletowym, które astronomowie będą eksplorować przez nadchodzące dziesięciolecia. Ponieważ światło ultrafioletowe można obserwować jedynie z kosmosu, Hubble jest jedynym aktywnym teleskopem, który może przeprowadzić takie badania.

Wierzę, że projekt ULLYSES będzie miał charakter transformacyjny, wpłynie na całą astrofizykę – od egzoplanet, przez wpływ masywnych gwiazd na ewolucję galaktyk, aż po zrozumienie najwcześniejszych etapów ewolucji wszechświata.powiedziała Julia Roman-Duval, kierownik zespołu wdrożeniowego w ULLYSES w Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych (STScI) w Baltimore w stanie Maryland.

Oprócz konkretnych celów programu, dane gwiazdowe można również wykorzystać w dziedzinach astrofizyki w sposób, którego jeszcze nie możemy sobie wyobrazić.

Zespół ULLYSES zbadał 220 gwiazd, a następnie połączył te obserwacje z informacjami z archiwum Hubble’a na temat 275 dodatkowych gwiazd. Program obejmował także dane z największych i najpotężniejszych na świecie teleskopów naziemnych oraz kosmicznych teleskopów rentgenowskich. Zbiór danych ULLYSES składa się z widm gwiazd , które zawierają informacje o temperaturze, składzie chemicznym i rotacji każdej gwiazdy.

Jednym z typów gwiazd badanych w ramach projektu ULLYSES są supergorące, masywne, niebieskie gwiazdy. Są milion razy jaśniejsze od Słońca i silnie świecą w świetle ultrafioletowym, które z łatwością może wykryć Hubble. Ich widma obejmują kluczową diagnostykę prędkości potężnych wiatrów. Wiatry napędzają ewolucję galaktyk i zasiewają w nich pierwiastki potrzebne do życia. Pierwiastki te są gotowane w piecach do syntezy jądrowej gwiazd, a następnie wstrzykiwane w przestrzeń kosmiczną, gdy gwiazda umiera. Celem projektu ULLYSES były niebieskie gwiazdy w pobliskich galaktykach, w których brakuje pierwiastków cięższych od helu i wodoru. Ten typ galaktyk był powszechny we wczesnym wszechświecie.

Obserwacje ULLYSES to krok w stronę zrozumienia pierwszych gwiazd i ich wiatrów we wszechświecie oraz ich wpływu na ewolucję ich młodej galaktyki macierzystej.mówi Roman-Duval.

Drugą kategorią gwiazd w programie ULLYSES są młode gwiazdy, mniej masywne od naszego Słońca. Choć chłodniejsze i bardziej czerwone od naszego Słońca, w początkowym okresie swego istnienia uwalniają strumień wysokoenergetycznego promieniowania, w tym podmuchy światła ultrafioletowego i promieni rentgenowskich. Ponieważ wciąż rosną, zbierają materię z otaczających je dysków pyłu i gazu, tworzących planety. Widma Hubble’a obejmują kluczową diagnostykę procesu, w wyniku którego uzyskują one swoją masę, w tym ilość energii uwalnianej w tym procesie do otaczającego dysku planetotwórczego i pobliskiego środowiska. Pęcherze światło ultrafioletowe młodych gwiazd wpływa na ewolucję tych dysków podczas formowania się planet, a także na szanse na zamieszkiwanie nowonarodzonych planet. Docelowe gwiazdy znajdują się w pobliskich obszarach gwiazdotwórczych w naszej galaktyce Drogi Mlecznej.

Koncepcja ULLYSES została zaprojektowana przez komitet ekspertów z myślą o wykorzystaniu Hubble’a do dostarczenia starszego zestawu obserwacji gwiazd.

ULLYSES został pierwotnie pomyślany jako program obserwacyjny wykorzystujący czułe spektrografy Hubble’a. Jednak program został ogromnie udoskonalony dzięki skoordynowanym obserwacjom prowadzonym przez społeczność i obserwacjom pomocniczym z innymi obserwatoriami naziemnymi i kosmicznymi.powiedział Roman-Duval.

Tak szeroki zakres pozwala astronomom badać życie gwiazd z niespotykaną dotąd szczegółowością i nakreślić pełniejszy obraz właściwości tych gwiazd oraz ich wpływu na otoczenie.

W tym celu w dniach 11–14 marca w ramach projektu STScI zorganizowano warsztaty ULLYSES , aby uczcić początek nowej ery badań nad młodymi gwiazdami. Celem było umożliwienie członkom społeczności astronomicznej współpracy nad danymi, aby mogli nabrać tempa w trwających analizach lub zapoczątkować nowe pomysły na analizy. Warsztaty były ważnym krokiem w kierunku pełnego wykorzystania tej starszej biblioteki widmowej, spełniając obietnicę projektu ULLYSES.

Planety w układach podwójnych gwiazd mogą mieć ładne widoki, nadające się do zamieszkania

Świat Gwiezdnych Wojen Tatooine to jedna z najbardziej rozpoznawalnych planet w świecie science fiction. To trudne miejsce, a panujące tam warunki na wiele sposobów ukształtowały bohatera Luke’a Skywalkera. We Wszechświecie opartym na rzeczywistości może nie być wielu takich światów. Dzieje się tak dlatego, że według nowego badania przeprowadzonego przez naukowców z Yale Wszechświat lubi być bardziej uporządkowany, co wpływa na planety i ich otoczenie.

W badaniu, kierowanym przez adiunkta Yale Malenę Rice i dwóch współpracowników, przyjrzano się układom podwójnym gwiazd wraz z planetami. W wielu z tych układów planety krążą wokół jednej z dwóch gwiazd.

Po raz pierwszy pokazujemy, że istnieje nieoczekiwane nagromadzenie systemów, w których wszystko jest dopasowane. Planety krążą dokładnie w tym samym kierunku, w którym obraca się pierwsza gwiazda, a druga gwiazda okrąża ten układ w tej samej płaszczyźnie co planety.powiedział Rice.

Poszukiwanie planet układu podwójnego gwiazd
Aby dojść do tego wniosku, zespół Rice’a przejrzał dane dotyczące systemów binarnych w kilku bazach danych. Przeanalizowano także kandydatów z potrójną gwiazdką. Katalog Gaia DR3 zapewniał bardzo precyzyjną astrometrię gwiazdową. Taka dokładność jest kluczowa dla określenia separacji i odległości układów podwójnych i powiązanych z nimi światów. Archiwum egzoplanet NASA dostarczyło parametrów układów planetarnych, a katalog TEPCat właściwości planet tranzytowych dostarczył informacji o właściwościach fizycznych w układach, w których orbity planet przecinają się w linii widzenia gwiazdy i Ziemi.

Zespół wykorzystał wszystkie dane do stworzenia geometrii 3D mapujących planety w układach podwójnych gwiazd. Okazuje się, że dziewięć z 40 badanych systemów miało „idealne dopasowanie”. Oznacza to, że mają wspólne wyrównanie spin-orbita i orbita-orbita. Oznacza to, że w wyniku regularnych, okresowych interakcji grawitacyjnych planety i gwiazdy poruszają się po orbitach, które są do siebie dopasowane. Innymi słowy, wszystko w systemie krąży w tej samej płaszczyźnie i w tym samym kierunku.

Pozasłoneczna planeta TrES-4b krąży wokół gwiazdy w Herkulesie oddalonej o około 1660 lat świetlnych. W systemie jest także towarzysz binarny. Jest to jeden z systemów badany w ramach badań zespołu Rice’a dotyczących wyrównania orbit układów podwójnych z planetami. Wrażenie artysty, autorstwo: Obserwatorium Lowella.

Zdaniem Rice’a ta tendencja do pewnego poziomu synchronizacji może być jednym ze sposobów poszukiwania układów podwójnych, w których istnieje życie.

Może to wskazywać, że układy planetarne lubią dążyć do uporządkowanej konfiguracji.stwierdziła.

To także dobra wiadomość dotycząca formowania się życia w tych układach. Gwiezdni towarzysze, którzy są różnie ustawieni, mogą siać spustoszenie w układach planetarnych, przewracając je lub z czasem powodując błyskawiczne nagrzewanie planet.

Niewłaściwe orbity planet i gwiazd
W układach, które nie są wyrównane (czasami nazywane „niewłaściwymi”) warunki na planetach nie wydają się obiecujące. Większość środowisk w takich światach w ogóle nie sprzyjałaby życiu ani nie stwarzała warunków sprzyjających życiu. Światy w takich systemach mogą być całkowicie zamarznięte lub całkowicie suche i opuszczone. Lub ich orbity mogą być nieregularne, ponieważ odchylają się zbyt blisko lub zbyt daleko od swoich gwiazd. W takim przypadku ich powierzchnie mogą być lawą lub lodem lub zmieniać się z jednej skrajności w drugą.

Niewspółosiowość może w rzeczywistości całkowicie wyrzucić planety z układu. W takim przypadku planeta zostaje wyrzucona w przestrzeń międzyplanetarną i staje się planetą zbuntowaną. Takie światy nie korzystają z ciepła pobliskiej gwiazdy. Konsekwencje dla życia i możliwości zamieszkania na tych planetach są dość ponure.

Umiarkowane światy w układach binarnych
Jeśli badanie przeprowadzone przez Rice i jej współpracowników dotyczy wielu układów podwójnych, jakiego rodzaju światów byśmy się spodziewali? Z pewnością fikcyjne Tatooine wygląda jednocześnie odstraszająco i zachęca do eksploracji. W rzeczywistości, jeśli układ orbit jest stabilny, można pomyśleć o zamieszkałych światach wokół tych gwiazd. W zależności od warunków, niektóre z nich mogą być całkiem miłe i gościnne.

Jednak oczekiwanie rozsądnego, umiarkowanego klimatu podobnego do Ziemi na tak odległym świecie jest nieco naciągane. Byłoby to zupełnie coś innego niż to, czego doświadczamy tutaj, w domu. Dzieje się tak dlatego, że planeta w takim układzie otrzymuje światło od dwóch gwiazd. Przez część roku wszyscy mieszkańcy mieliby ciągłe światło dzienne z każdej gwiazdy oświetlającej bok planety. Jednak temperatury na powierzchni będą się różnić w zależności od odległości gwiazd. I przynajmniej przez jakąś część roku jedna strona planety nagrzewałaby się od obu gwiazd, co sprawiałoby, że wszyscy mieszkańcy byliby bardzo zadowoleni.

Dzięki tym badaniom astronomowie mają teraz możliwość przeszukiwania baz danych pod kątem większej liczby układów podwójnych z wyrównanymi orbitami gwiazd i planet. Ponadto istnieją interesujące implikacje dla badań młodych układów podwójnych z dyskami protoplanetarnymi wokół każdej gwiazdy. Na przykład astronomowie mogliby wykorzystać te dane, aby zrozumieć, jakie ograniczenia dynamiczne istnieją na dyskach w układach wielogwiazdowych. Potrzebnych jest więcej informacji na temat mas i lepkości tych dysków w miarę ewolucji ich gwiazd, a także tego, jak długo dyski te przetrwają w układzie.

Nawet gwiazdy takie jak Słońce mogą w swojej młodości wyzwalać dzikie rozbłyski

Dlaczego młoda gwiazda podobna do Słońca miałaby nagle wywołać niezwykle jasny rozbłysk? Tego właśnie chcą się dowiedzieć astronomowie z Harvard Smithsonian Astrophysical Observatory po tym, jak zauważyli taki wybuch za pomocą czułego teleskopu wykorzystującego fale submilimetrowe. Według Joshuy Bennetta Lovella, lidera zespołu obserwującego aktywność gwiazdy, tego rodzaju rozbłyski są rzadkie w tak młodych gwiazdach, szczególnie na falach milimetrowych. Co się tam dzieje?

Lovell i jego zespół obrali za cel gwiazdę HD 283572 w poszukiwaniu pyłu okołogwiazdowego. Jest dość młoda – mniej więcej w tym samym wieku, w którym znajdowało się Słońce, kiedy powstawały nasze planety. Znajduje się około 400 lat świetlnych od nas i jest około 40 procent masywniejsza od naszej gwiazdy. Podczas wybuchu pojaśniało około stukrotnie w ciągu 9 godzin. Rozbłysk wyzwolił około milion razy więcej energii niż jakiekolwiek rozbłyski milimetrowe obserwowane na jakichkolwiek gwiazdach w pobliżu Słońca.

Według Lovella cała sytuacja była dość nietypowa, ponieważ początkowo nic nie wskazywało na wybuch.

Byliśmy zaskoczeni, widząc niezwykle jasny rozbłysk zwykłej młodej gwiazdy. Rozbłyski na tych długościach fal są rzadkie i nie spodziewaliśmy się zobaczyć niczego poza słabą poświatą pyłu tworzącego planety.

Lovell i jego zespół przez kilka miesięcy kontynuowali obserwacje gwiazdy za pomocą układu submilimetrowego na Mauna Kea na Hawajach. Mieli nadzieję, że znów się rozbłyśnie, ale było cicho.

Nasze odkrycia potwierdzają, że te rozbłyski są rzadkie na falach milimetrowych, ale mogą być niezwykle silne w przypadku gwiazd w tak młodym wieku.powiedział.
HD 283752 i pole gwiazdowe, w którym się znajduje, na podstawie danych z przeglądu optycznego i podczerwonego DSS. Wstawki przedstawiają obrazy Submillimeter Array (SMA) wyśrodkowane na HD 283572 wykonane 14 i 17 stycznia 2022 r. oraz 27 marca 2023 r. Czerwone źródło na środkowym panelu pokazuje rozbłysk obserwowany 17 stycznia. Gwiazda nie została wykryta przez SMA przez pozostałe dwa dni, ani podczas pięciu innych obserwacji SMA, które nie zostały tu pokazane. Źródło: CfA/JB Lovell

Dlaczego młoda gwiazda miałaby rozbłysnąć?
Młode gwiazdy , zwłaszcza czerwone karły , wykazują w trakcie ewolucji aktywność rozbłysków . Jednak gwiazdy podobne do Słońca mogą nie mieć tak wielu intensywnych rozbłysków. Wydarzenie w HD 283572 rodzi pytania dotyczące rodzaju rozbłysków, których doświadczyło Słońce w powijakach. Interesujące byłoby dowiedzieć się, jaki wpływ miały one na resztę Układu Słonecznego.

Jak dotąd zespół uchwycił tylko jedną flarę na HD 283572. To sprawia, że ​​dość trudno jest dokładnie ustalić, dlaczego wybuchła tak gwałtownie.

To prawdziwa zagadka i istnieje szereg mechanizmów, które mogą być w nią zaangażowane. Interakcje z niewidocznymi gwiazdami towarzyszącymi lub planetami albo okresowa aktywność plam gwiezdnych to dwie możliwości, ale nie ulega wątpliwości, jak potężne było to wydarzenie.powiedział członek zespołu Garrett Keating.

Każda potencjalna planeta rozwijająca się w tym układzie zostałaby uderzona intensywną mocą tego rozbłysku. Nie chciałbym tam dorastać!

W artykule opisującym swoją pracę zespół sugeruje, że zmienność milimetrowa, której byli świadkami, może mieć kilka przyczyn. Jednym z pomysłów jest to, że emisje rozbłysków pochodzą z promieniowania emitowanego przez naładowane cząstki poruszające się szybko w polu magnetycznym. Nazywa się to promieniowaniem żyrosynchrotronowym/synchrotronowym. Zwykle pojawia się w szybko zmieniających się polach magnetycznych nad plamami słonecznymi (lub plamami gwiazdowymi na innych gwiazdach). Rozbłysk może również wynikać z działań wywołanych interakcjami z niewidzialnym towarzyszem.

Następne kroki
Każda przyczyna jest możliwa, ale astronomowie muszą przeprowadzić więcej badań gwiazdy, aby ją ustalić. Zatem następnym krokiem będzie wykonanie większej liczby obserwacji tej gwiazdy i innych jej podobnych, aby uchwycić kolejny rozbłysk. Według członkini zespołu, Ramisy Akther Rahman, grupa prowadzi kolejną kampanię wykorzystującą matryce submilimetrowe, mającą na celu badanie gwiazd podobnych do HD 283572.

„Łącząc dane SMA z obserwacjami na dłuższych falach, jesteśmy również w stanie zbadać fizykę rozbłysków i mechanizmy ich emisji. Pracowałem nad tym, korzystając z danych archiwalnych z Very Large Array” – powiedział Rahman, student College of William and Mary i były stażysta letni w Lovell.

Dalsze badania w dużym stopniu przyczynią się do wyjaśnienia przyczyn i częstotliwości rozbłysków, których doświadcza ta gwiazda. Fakt, że jest tak młoda i podobna do Słońca, wskazuje na to, co mogło się wydarzyć na początku historii naszego Układu Słonecznego. Jeśli młode gwiazdy podobne do Słońca rzeczywiście eksplodują w wyniku intensywnej aktywności, rodzi to pytania. Jaki to ma wpływ na planety formujące się wokół gwiazdy? Silne rozbłyski mogą wpływać na atmosfery planet (szczególnie na światy bez silnych pól magnetycznych). Aktywność gwiazd może posunąć się tak daleko, że ograniczy rozwój atmosfery planety. W najgorszym przypadku prawdopodobnie uniemożliwiłoby to nawet utworzenie planety. A jeśli wokół takiej gwiazdy nadal znajduje się tylko dysk pyłowy, czy takie wybuchy mogą wpływać na proces powstawania planet?

Czy Betelgeza w ogóle się obraca? Być może nie

Betelgeza jest dobrze znaną gwiazdą czerwonego olbrzyma w rogu Oriona. Jej nazwa w niektórych językach oznacza “pachę olbrzyma”, co moim zdaniem jest najlepszą ze wszystkich nazw gwiazd! Betelgeza zafascynowała obserwatorów nie tylko dlatego, że kilka lat temu niespodziewanie zgasła, ale ostatnio badanie wykazało jej superszybką prędkość obrotową, która w porównaniu z innymi supergigantami jest jak nic wcześniej widzianego.

Betelgeza, jedna z najjaśniejszych gwiazd na niebie półkuli północnej, w rzeczywistości dziesiąta co do jasności, ma oszałamiający czerwony kolor. Jest to półregularna gwiazda zmienna, co oznacza, że istnieje pewna regularność w jej zróżnicowanym strumieniu świetlnym, ale zdarzają się sytuacje, trwające od 20 do 2000 dni, w których zmienność jest przerywana. Gdyby Betelgeza znajdowała się w pozycji Słońca, jej widoczna powierzchnia najprawdopodobniej wykraczałaby poza orbitę Marsa i pochłonęłaby wszystko, co znajduje się pomiędzy nimi.

Zdjęcia HST 1998/9 UV Betelgezy pokazujące asymetryczne pulsacje z odpowiadającymi im profilami linii widmowych (Źródło: STScI, NASA, ESA)

Podobnie jak wszystkie gwiazdy, Betelgeza obraca się, ale ostatnie badania przeprowadzone przy użyciu Atacama Large Milimeter Array (ALMA) wykazały, że Betelgeza obraca się szybciej niż oczekiwano. Chłodne gwiazdy, takie jak Betelgeza, rozszerzają się podczas ewolucji i aby zachować pęd, rotacja musi zwolnić. Możliwe jest, że utrata masy spowodowana wiatrami gwiezdnymi jeszcze bardziej zmniejsza prędkość rotacji. Obecna teoria przewiduje, że czerwone olbrzymy obracają się z prędkością około 1 km na sekundę, podczas gdy czerwone supergiganty nieco mniej niż 0,1 km na sekundę.

Pomijając obecną teorię, wydaje się, że dokonano szeregu obserwacji co najmniej kilkuset olbrzymich gwiazd obracających się szybciej. W szczególności Betelgeza wykazała szybszą niż oczekiwano rotację. Co ciekawe, jej bliskość do Ziemi oznacza, że jej powierzchnia może zostać rozdzielona i można dokonać dokładnych pomiarów. Pomiary wykazały, że połowa widocznej półkuli jest przesunięta w kierunku niebieskim, a druga połowa w kierunku czerwonym. Możemy wykorzystać te informacje do dokładnego obliczenia prędkości obrotowej.

W przypadku Betelgezy prędkość radialna zmierzona za pomocą ALMA wyniosła około 5,47 km na sekundę. Wartość ta została porównana z poprzednimi obserwacjami za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i na szczęście się zgadza. Jedna z wiodących teorii zakłada ewolucję gwiazd podwójnych jako możliwą przyczynę, a w szczególności fuzję z gwiazdą towarzyszącą o niskiej masie. Nie jest to niezwykły proces, ponieważ jedna trzecia czerwonych supergigantów doświadcza fuzji gwiazd przed zapadnięciem się ich jądra, co oznacza koniec ich życia. Jeśli chodzi o czerwone olbrzymy, zespół rozważył wpływ łączenia się z układami planetarnymi na prędkość rotacji.

Dwie z 12-metrowych anten Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) (Źródło: Iztok Bon?ina/ESO)

Istnieją jednak komplikacje w uzyskaniu wystarczających danych, ale zespół modelował hydrodynamiczne symulacje promieniowania 3D czerwonych supergigantów o właściwościach podobnych do Betelgezy. Dorzucając przysłowiowy klucz do prac, zespół sugeruje, że możliwe jest, że obserwacje mogą być błędne, a fałszywe sygnały zostały odebrane z wirującej konwekcyjnej plazmy na powierzchni, a nie z rotacji samej gwiazdy!

W celu ustalenia, czy możliwe jest dokładne zmierzenie prędkości obrotowej czerwonych olbrzymów i supergigantów, musieli opracować nowe techniki przetwarzania, aby ustalić prognozy, które mogliby porównać z obserwacjami Betelgezy. Ostatecznie zespół doszedł do wniosku, że aby móc bez wątpienia ustalić, czy Betelgeuse i inne czerwone supergiganty obracają się szybko, wymagane są obserwacje w wyższej rozdzielczości niż obecna technologia może wiarygodnie zapewnić.