Астрономи розгадали 16-річну космічну таємницю, виявивши відсутню зоряну ланку

Туманність «Синє кільце», яка бентежила вчених більше десяти років, скоріш за все, є наймолодшим відомим прикладом злиття двох зірок в одну.

Про це розповідають в Обсерваторії В. М. Кека.

У 2004 році вчені за допомогою розташованого у космосі «Дослідника еволюції галактик» (GALEX) від НАСА помітили об’єкт, несхожий на будь-який інший з тих, які вони бачили раніше в нашій галактиці Чумацький Шлях: великий, тьмяний шарик газу із зіркою в центрі. Хоча, насправді, він не випромінює світло, видиме для людського ока, GALEX зафіксував шарик в ультрафіолетовому світлі і, таким чином, на зображеннях він виглядає синім; подальші спостереження також виявили всередині нього товсту кільцеву структуру. Тож, команда прозвала його туманністю «Синє кільце». Протягом наступних 16 років вони вивчали його за допомогою безлічі земних і космічних телескопів, включаючи Обсерваторію Кека на Маунакеї на Гаваях, але чим більше вони дізнавалися, тим загадковішим він здавався.

Нове дослідження, опубліковане онлайн 18 листопада в журналі Nature, можливо, розкрило цю справу. Застосовуючи найсучасніші теоретичні моделі до маси даних, зібраних на цьому об'єкті, автори стверджують, що туманність – хмару газу в космосі – імовірно, складається з уламків двох зірок, які зіткнулися і злилися в одну зірку.

Незважаючи на те, що системи з об’єднаних зірок вважаються досить поширеними, але практично неможливо вивчити їх відразу після утворення, оскільки вони затьмарені уламками, піднятими зіткненням. Після того, як уламки розчистяться – принаймні через сотні тисяч років потому – їх складно ідентифікувати, оскільки вони нагадують незлиті зірки. Схоже, туманність Синє кільце є відсутньою ланкою: астрономи бачать зоряну систему лише через кілька тисяч років після злиття, коли доказів об’єднання все ще багато. Здається, це перший відомий приклад об’єднаної зоряної системи на цьому етапі.

Відпрацювавши між 2003 і 2013 роками під управлінням Лабораторії реактивного руху НАСА в Південній Каліфорнії, GALEX був розроблений, щоб допомогти вивчити історію формування зірок шляхом спостереження за популяціями молодих зірок в ультрафіолетовому світлі. Більшість об'єктів, на які дивився GALEX, випромінювали як ближнє УФ-випромінювання (на зображеннях GALEX жовтим кольором), так і дальнє УФ-випромінювання (показано синім), але туманність Синє кільце виділялася тим, що випромінювала лише дальнє УФ світло.

Розмір об’єкта був схожий на залишок наднової, яка утворюється, коли у масивної зірки закінчується паливо і вона вибухає, або на планетарну туманність – надуті залишки зірки, розміром із наше Сонце. Але в туманності Синє кільце у центрі була жива зірка. Крім того, залишки наднової та планетарні туманності випромінюють у декілька довжин світлових хвиль поза УФ-діапазону, тоді як туманність Синє кільце – ні.

Фантомна планета

У 2006 році команда GALEX розглянула туманність за допомогою 5,1-метрового телескопа Хейла в Паломарській обсерваторії (округ Сан-Дієго, Каліфорнія), а потім ще потужнішими 10-метровими телескопами Обсерваторії Кека. За допомогою Спектрометра з низькою розподільною здатністю (LRIS) Обсерваторії Кека, вони виявили сліди ударної хвилі в туманності, що дозволяє припустити, що газ, що утворює туманність Синє кільце, дійсно був вигнаний якоюсь насильницькою подією навколо центральної зірки.

«Спектри LRIS Кека ударного фронту були безцінними для того, щоб закріпити те, як виникла туманність "Синє кільце", - каже Кері Хоадлі, астрофізик з Каліфорнійського технологічного університету і провідний автор дослідження. «Її швидкість була надто високою для типової планетарної туманності, але була занадто повільною, щоб бути надновою. Ця незвичайна проміжна швидкість між ними дала нам потужну підказку про те, що щось інше мало статися, щоб створити туманність».

Дані зі Спектрометру високої роздільної здатності Ешеля (HIRES) Обсерваторії Кека також свідчать про те, що зірка витягувала велику кількість матеріалу на свою поверхню. Але звідки взявся цей матеріал?

«Спостереження HIRES в Кеку дали нам перші докази того, що система акреціює матеріал», - каже співавтор Марк Зайберт, астрофізик з Інституту наук Карнегі та член команди GALEX в Калтех, який управляє Лабораторією реактивного руху. «Довгий час ми думали, що, можливо, існувала планета, яка в кілька разів перевищувала масу Юпітера, яку розривала зірка, і тому викидався весь цей газ із системи. Хоча дані HIRES, здавалося б, підтверджують цю теорію, вони також говорили нам обережно ставитися до такої інтерпретації, припускаючи, що акреція може мати щось спільне з рухами в атмосфері центральної зірки».

Щоб зібрати більше даних, у 2012 році команда GALEX використовувала Широкосмуговий інфрачервоний оглядовий дослідник (WISE) – космічний телескоп НАСА, який вивчав небо в інфрачервоному світлі, – і ідентифікувала пиловий диск, який обертається близько навколо зірки. Архівні дані з трьох інших інфрачервоних обсерваторій також помітили цей диск. Знахідка не виключала можливості того, що планета також оберталася навколо зірки, але врешті-решт команда показала б, що диск і матеріал, викинутий у космос, походять з чогось більшого, ніж навіть гігантська планета. Потім, у 2017 році телескоп Хоббі-Еберлі в Техасі підтвердив, що компактного об'єкта, що обертається навколо зірки, немає.

Більше десятиліття після відкриття туманності Синє кільце, команда зібрала дані про систему з чотирьох космічних та чотирьох наземних телескопів, історичних спостережень за зіркою, починаючи з 1895 року (з метою пошуку змін в її яскравості протягом часу), а також за допомогою громадських вчених через Американську асоціацію спостерігачів змінних зірок (AAVSO). Але пояснення того, що створило туманність, все ще уникало їх.

Вистежуючи зірку

Коли Хоадлі почала співпрацювати з науковою командою GALEX у 2017 році, «група ніби вдарилася об стіну» з туманністю Синє кільце, сказала вона. Але Хоадлі була зачарована таким незрозумілим об’єктом та його химерними рисами, тому вона прийняла виклик, намагаючись розгадати таємницю. Здавалося ймовірним, що рішення буде виходити не з більшої кількості спостережень за системою, а з передових теорій, які могли б мати сенс у наявних даних. Тож, Кріс Мартін, головний дослідник GALEX в Калтех, звернувся за допомогою до Брайана Мецгера з Колумбійського університету.

Як астрофізик-теоретик, Мецгер розробляє математичні та обчислювальні моделі космічних явищ, за допомогою яких можна передбачити, як ці явища будуть виглядати та поводитися. Він спеціалізується на космічних злиттях – зіткненнях між різними об’єктами, будь то планети і зірки, або дві чорні діри.

«Діло не у тому, що тільки Брайан міг пояснити дані, які ми бачили; він, по суті, передбачав те, що ми спостерігали до того, як він це побачив», - сказала Хоадлі. «Він сказав би: "Якщо це зоряне злиття, то ви повинні побачити X", і це було схоже на: "Так! Ми це бачимо!"»

Команда дійшла висновку, що туманність є продуктом відносно свіжого зоряного злиття, яке, ймовірно, відбулося між зіркою, подібною до нашого Сонця, та іншою зіркою, розміром лише приблизно в одну десяту від першої (або приблизно в 100 разів більшою за масу Юпітера). Ближче до кінця свого життя, подібна до Сонця зірка почала набухати, підбираючись ближче до свого супутника. Зрештою, менша зірка потрапила у спадну спіраль до свого більшого супутника. Шляхом, більша зірка розірвала меншу, обгорнувшись у кільце уламків, перш ніж повністю проковтнути меншу зірку.

Це була насильницька подія, яка призвела до утворення туманності Синє кільце. Злиття випустило в космос хмару гарячого сміття, розрізане на дві частини газовим диском. Це створило дві конусоподібні сміттєві хмари, основи яких віддаляються від зірки в протилежних напрямках і розширюються, у міру їх руху назовні. Основа одного конуса йде майже безпосередньо до Землі, а інший майже прямо вдалину. Вони занадто тьмяні, щоб їх бачити поодинці, але область, де конуси перекриваються (як видно з Землі), утворює центральне синє кільце, за яким спостерігав GALEX.

Минали тисячоліття, а розширювана уламкова хмара охолоджувалася і утворювала молекули та пил, включаючи молекули водню, які стикалися з міжзоряним середовищем – розрідженим зібранням атомів та енергетичних частинок, що заповнюють простір між зірками. Зіткнення збуджували молекули водню, змушуючи їх випромінювати в УФ-світлі на певній довжині світла. З часом, світіння стало досить яскравим, щоб його бачив GALEX.

Зоряні злиття можуть відбуватися раз на 10 років у нашій галактиці Чумацький Шлях, і це означає, що можливо, значна популяція зірок, які ми бачимо на небі, колись були по двоє.

«Ми бачимо безліч двозоряних систем, які колись можуть злитися, і ми вважаємо, що ідентифікували зірки, які злилися, можливо, мільйони років тому. Але у нас майже немає даних про те, що відбувається між ними», - каже Мецгер. «Ми вважаємо, що в нашій галактиці, ймовірно, багато молодих залишків злиття зірок, і туманність Синє кільце може показати нам, як вони виглядають, щоб ми могли їх ідентифікувати».

Незважаючи на те, що це, ймовірно, завершення 16-річної таємниці, це також може бути початком нового розділу у дослідженні злиття зірок.

«Дивно, що GALEX вдалося знайти цей насправді тьмяний об'єкт, який ми не шукали, але який виявляється чимось справді цікавим для астрономів», - каже Зайберт. «Це просто повторює, що коли ви дивитесь на Всесвіт з новою довжиною хвилі або по-новому, ви знаходите речі, про які ви ніколи не думали».

Читайте ще цікаві новини про космос.