Astronomai dažnai įvairius objektus skirsto į milžinus (arba „normalius“) ir nykštukus. Būna žvaigždės nykštukės, būna galaktikos, būna planetos. Savaime suprantama, lyginant su žmogiškais masteliais, tie objektai tikrai nėra maži, bet savo klasėse jie yra prie mažiausiųjų.
Tačiau tai tikrai nereiškia, kad jie mažiau reikšmingi ar paprastesni už didesnius. Štai praeitą savaitę paskelbta apie mažytį Saulės sistemos kūną - asteroidą - su trimis palydovais, kitaip tariant, daugiau, nei bet kuri iš uolinių planetų. Rudųjų nykštukių - ne visai žvaigždžių, bet jau ir ne planetų - formavimasis, pasirodo, irgi nėra sumažinta žvaigždžių formavimosi versija.
Taip pat aptiktas labiausiai tiesioginis įrodymas, kad baltosios nykštukės ryja savo planetų liekanas. O nykštukinės galaktikos kartais visiškai neturi tamsiosios materijos - dabar surastas paaiškinimas tokiai evoliucinei baigčiai.
Baltosios nykštukės valgo planetas
Baltosios nykštukės yra panašių į Saulę žvaigždžių „pomirtinės“ liekanos. Tai yra maždaug Žemės dydžio, bet Saulės masės, kūnai, sudaryti daugiausiai iš anglies ir deguonies.
Labai stipri gravitacija išskirsto nykštukę sudarančius elementus į sluoksnius: lengvai susimaišantys anglis ir deguonis lieka paviršiuje, virš jų gali būti menka helio ir vandenilio atmosfera, o sunkesni elementai nusėda giliau, tad jų nykštukės spektre neturėtų matytis. O visgi kartais matosi.
Tokie duomenys interpretuojami kaip įrodymas, kad į baltąsias nykštukes kartais krenta jų planetų liekanos. Interpretaciją sustiprina ir neretai prie nykštukių atrandami nuolaužų diskai bei kartais užfiksuojamos planetos ar jų fragmentai, tranzituojantys nykštukių diskais.
Visgi tai yra tik netiesioginiai įrodymai, o jų interpretacija remiasi įvairiais modeliais apie nykštukių atmosferas, planetų sandarą ir taip toliau. Dabar pirmą kartą užfiksuotas, kaip manoma, tiesioginis akrecijos - medžiagos kritimo - į baltąją nykštukę signalas.
G29-38 yra viena iš artimiausių Žemei baltųjų nykštukių, nutolusi mažiau nei 14 parsekų. Jos aplinka skleidžia daug infraraudonosios spinduliuotės - tai rodo, kad ją supa dulkės, galbūt sudarančios nuolaužų diską arba pasklidusios po kometos subyrėjimo.
Taip pat žvaigždės spektre aptikta sunkių cheminių elementų pėdsakų, rodančių, kad į ją greičiausiai neseniai krito uolinių planetų ar asteroidų liekanos. Nauji stebėjimai, atlikti Chandra rentgeno teleskopu, atskleidė kartkartėmis vykstančius rentgeno spindulių žybsnius. Tai yra daug aiškesnis medžiagos kritimo įrodymas.
Sprogusios žvaigždės (supernovos) liekanose astronomai aptiko fosforo - vieno iš gyvybei būtinų elementų. Tokie tyrimai atliekami siekiant išsiaiškinti, kaip ir kur kosmose gali atsirasti gyvybė.
Supernovos sprogimas
Anglis ir deguonis žvaigždžių paviršiuje
Žvaigždes daugiausiai sudaro vandenilis ir helis su trupučiu kitų elementų priemaišų. Žvaigždei senstant ir vykstant vandenilio branduolių jungimosi reakcijoms, jos centre vis gausėja helio, vėliau prasideda kitos reakcijos ir ima atsirasti sunkesni elementai.
Visgi žvaigždės paviršiuje šių procesų pėdsakų nesimato, susiformavę elementai iš centro išlaisvinami ir į aplinką paskleidžiami tik žvaigždei mirštant, pavyzdžiui supernovos sprogimo metu ar nusimetinėjant planetinį ūką.
Anglies ir deguonies gausa baltosiose nykštukėse
Bet dabar aptiktos dvi žvaigždės, kurių paviršiuje matyti labai daug anglies ir deguonies. Šios žvaigždės priklauso tipui, vadinamam nykštukinėmis O žvaigždėmis. Jos yra mažesnės masės už Saulę, tačiau dešimtis kartų ryškesnės.
Jos jau beveik baigė savo gyvenimus; didžiąją jų masės dalį sudaro nebe vandenilis, o helis, kuris žvaigždės centrinėje dalyje jungiasi į sunkesnius elementus - anglį, azotą ir deguonį. Po astronomiškai neilgo laiko tarpo - milijonų metų ar mažiau - išoriniai jų sluoksniai turėtų nuskristi į šalis, o centre likti baltoji nykštukė.
Tipinių nykštukinių O žvaigždžių spektruose anglies, azoto ir deguonies arba nerandama visiškai, arba randamas nykštamai mažas kiekis. Bet šiose naujai atrastose žvaigždėse tiek anglies, tiek deguonies matoma ypatingai daug - kiekvieno elemento gausa siekia po maždaug 20%.
Tyrėjų teigimu, tokia būsena greičiausiai nėra normalios izoliuotos žvaigždės evoliucijos stadija; abi žvaigždės turbūt kadaise buvo dvinarės sistemos, sudarytos iš dviejų baltųjų nykštukių.
Viena baltoji nykštukė buvo mažesnės masės ir kupina helio, antra - šiek tiek masyvesnė, bet mažesnio spindulio, sudaryta pagrinde iš anglies ir deguonies. Joms susijungus, žvaigždės masė išaugo tiek, kad joje vėl prasidėjo termobranduolinės reakcijos - helis ėmė jungtis į sunkesnius elementus.
Tačiau susijungimo metu dalis anglies ir deguonies liko išoriniuose žvaigždės sluoksniuose, todėl yra matomos spektre. Šis atradimas papildo žinias apie didžiulę dviejų žvaigždžių sąveikos padarinių įvairovę ir padės geriau suprasti, kaip vyksta tokie procesai.
Ia tipo supernovų svarba kosminių tyrimų srityje
Jau dešimtmečius Ia tipo supernovos laikomos vienu svarbiausių astronomijos tyrimų objektų. Šie kosminiai sprogimai, pasižymintys beveik pastovia šviesio verte, tapo vadinamaisiais „standartiniais žiburiais“, padedančiais nustatyti kosminius atstumus.
Matavę šių supernovų vidinį ryškį, astronomai sudarė spartėjančios Visatos plėtros žemėlapį ir atrado tamsiosios energijos įtaką. Vis dėlto išlieka esminis klausimas: kaip tiksliai užsiveda šie supernovų sprogimai?
Bendru sutarimu Ia tipo supernovos gimsta sprogus baltosioms nykštukėms, tačiau pats užsidegimo mechanizmas tebėra aktyviai tiriamas. Paprastai baltoji nykštukė - didelio tankio, iš anglies ir deguonies sudaryta žvaigždės liekana - turi sukaupti pakankamai papildomos masės, kad pasiektų kritinę ribą.
Tada vyksta nekontroliuojama branduolinė reakcija, žvaigždė susprogsta. Diskusijos kyla dėl to, kokiu būdu ši papildoma masė kaupiasi.
Baltosios nykštukės: formavimasis ir sprogimo potencialas
Baltosios nykštukės yra itin kompaktiškos, tankios žvaigždžių liekanos, susidarančios žvaigždėms, kurių masė panaši į Saulės. Išnaudojusios visas vandenilio ir helio atsargas branduolinėms reakcijoms, šios žvaigždės praranda išorinius sluoksnius ir palieka švytinčią anglies ir deguonies branduolio liekaną.
Paliktos vienos, baltosios nykštukės ilgainiui vėsta, kadangi jų branduolio tankis nepakankamas tolimesniam masyvių elementų susiliejimui.
Visgi daugelis baltųjų nykštukių yra dvejetinėse sistemose - susietos su kitos žvaigždės gravitacija ir gali perimti jos medžiagą. Šis masės perdavimas palaipsniui padidina baltosios nykštukės masę iki Chandrasekaro ribos (apie 1,4 Saulės masės). Pasiekus šią ribą, įvyksta sprogimas - supernova.
Kita galimybė - dviejų baltųjų nykštukių susiliejimas, kai gravitacinės bangos lemia jų priartėjimą ir kartu viršijamą ribą sprogimui. Abu variantai fiksuoti stebėjimais, nors visiškai nepaaiškina, kodėl Visatoje fiksuojamas toks dažnas Ia tipo supernovų pasireiškimas.
Dvigubo užsidegimo hipotezė: alternatyvi sprogimo versija
Mokslininkai siūlo įdomią alternatyvą - dvigubo užsidegimo modelį. Pagal šią teoriją, ant baltosios nykštukės paviršiaus esantis plonas helio sluoksnis gali užsidegti esant reikiamam slėgiui ir temperatūrai, net jei žvaigždė nepasiekia Chandrasekaro ribos.
Pradinis helio susiliejimas sukelia paviršinį sprogimą (pirmasis užsidegimas), kuris, sukeldamas smūgines bangas, suspaudžia žvaigždės anglies-deguonies branduolį. Ši greita kompresija gali inicijuoti antrą, gerokai galingesnį užsidegimą branduolio viduje, galutinai sunaikindama baltąją nykštukę ir išlaisvindama didžiulę energijos kiekį.
Dvigubo užsidegimo modelis patrauklus tuo, kad leidžia supernovoms įvykti ir tokiose baltosiose nykštukėse, kurios nesiekia tradicinės masės ribos. Kai kuriais atvejais reikiamą helio sluoksnį žvaigždė sukaupia sąveikaudama su palydovu arba šis lieka iš ankstesnių vystymosi etapų. Pakankamai helio susikaupus ant paviršiaus, galimas dvigubas sprogimas be didelės papildomos masės poreikio.
Dvigubo užsidegimo detekcija: kalcis - pagrindinis rodiklis
Nustatyti dvigubo užsidegimo atvejus sudėtinga dėl sparčios abiejų sprogimo fazių eigos ir chaotiškos aplinkos, kai susidaro naujos supernovos liekanos. Vis dėlto modeliai prognozuoja unikalų cheminį požymį: dviejų atskirų kalcio sluoksnių susidarymą per skirtingus susiliejimo procesus.
Helio užsidegimas sukuria išorinį kalcio turtingą apvalkalą, o vėlesnis branduolio užsidegimas išmeta antrą kalcio sluoksnį gilesniuose likučio sluoksniuose. Tokios chemiškai atskirtos struktūros leidžia astronomams atpažinti dvigubo užsidegimo atvejus tarp kitų supernovų.
Tyrimo pavyzdys: supernovos liekana SNR 0509-67.5 Didžiajame Magelano Debesyje
Norėdami patikrinti teoriją, mokslininkų grupė tyrė supernovos liekaną SNR 0509-67.5, esančią kaimyninėje Didžiojo Magelano Debesies galaktikoje. Manoma, jog ši liekana yra kiek daugiau nei 300 metų amžiaus, todėl idealiai tinka tyrimui - jos išmestos medžiagos jau pakankamai išsiplėtė, kad būtų įmanoma detaliai ištirti sudėtį iš Žemės spektroskopiniais metodais.
Naudodamiesi Europos Pietų Observatorijos itin galingu teleskopu, mokslininkai sudarė liekanos elementų žemėlapį. Gauti rezultatai parodė aiškų pasiskirstymą: išorinis jonizuoto kalcio sluoksnis, po juo - jonizuoto sieros sluoksnis, dar giliau - dar vienas kalcio sluoksnis.
Ši „kalcis-siera-kalcis“ struktūra atitinka dvigubo užsidegimo modelio prognozes - abu kalcio sluoksniai žymi atskirus užsidegimus. „Sprogimai anglies-deguonies branduolyje ir helio turtingame sluoksnyje suformuoja kokybiškai skirtingus elementų kiekius“, teigiama mokslininkų ataskaitoje. Tai dar labiau sustiprina dvigubo užsidegimo hipotezę.
Tyrimo išvados rodo, kad SNR 0509-67.5 pirmtakas buvo baltoji nykštukė, turėjusi masę panašią į Saulės, o sprogimą sukėlęs helio sluoksnis sudarė vos 3% Saulės masės. Šis minimalus slenkstis parodo, kaip efektyviai ir dažnai Visatoje galėtų vykti dvigubo užsidegimo supernovos.
| Supernovos liekana | Atstumas | Amžius | Pirmtakas |
|---|---|---|---|
| SNR 0509-67.5 | Didysis Magelano Debesis | 300 metų | Baltoji nykštukė |
Pasekmės kosmologijai ir žvaigždžių evoliucijai
Dvigubo užsidegimo mechanizmo patvirtinimas Ia tipo supernovose turi didelę reikšmę astrofizikai ir kosmologijai. Kadangi šios supernovos laikytos vienodo ryškio žiburiais atstumų matavimui ir Visatos plėtros tempui nustatyti, ryškio variacijos dėl dvigubo užsidegimo gali reikšti, kad reikės pakoreguoti kai kuriuos kosmologinius skaičiavimus ir matavimus.
Tyrimas taip pat skatina papildomas diskusijas apie galaktikų cheminį praturtinimą. Supernovos praturtina kosmosą sunkiaisiais elementais, o dvigubo užsidegimo modelis gali savitai paaiškinti padidėjusį kalcio kiekį tam tikrose žvaigždžių populiacijose.
Be to, gali būti, jog dvejetinėse arba kelių žvaigždžių sistemose galima išprovokuoti kelis nuoseklius supernovų sprogimus, jei gravitacinė sąveika inicijuoja papildomus užsidegimus panašiais būdais.
Iššūkiai ir tolimesni tyrimai
Nors pasiekta daug, iššūkių liko. Cheminių požymių subtilumas ir galimas nuolaužų persidengimas kelių užsidegimų metu apsunkina stebėjimus. Jei dvi baltosios nykštukės yra artimoje poroje, vienos sprogimas gali vos ne tuo pačiu metu uždegti ir partnerę, ko pasekoje abu įvykiai bus beveik neatskiriami šiuolaikiniais instrumentais.
Mokslininkai pabrėžia, kad tolesnei pažangai būtini pažangūs kompiuteriniai modeliai ir platesni spektroskopiniai tyrimai, padėsiantys patikslinti modelius ir palyginti prognozes su daugiau supernovų liekanų.
Artimiausiais metais tokie teleskopai kaip James Webb Space Telescope ar būsimas Extremely Large Telescope gali atverti naujų galimybių stebėti tolimas ir retas šių fenomenų liekanas dar aukštesne raiška.