Jak umierają gwiazdy - niewyjaśnione przypadki

W tradycyjnych modelach ewolucji gwiazd, scenariusze związane z ich śmiercią zdeterminowane są masą danych obiektów i przebiegają według określonych przez fizyków scenariuszy. Dostrzeżone w ostatnich latach odstępstwa od uznanych teorii zaczęły skłaniać, jeśli nie do kwestionowania przyjętych założeń, to przynajmniej do stawiania nowych pytań oraz intensyfikacji procesów badawczych. Śmierć niektórych gwiazd zaskakująco bowiem odbiega od obowiązujących schematów, a fizycy nie potrafią wyjaśnić dlaczego. Oznacza to, że ciągle pozostaje jeszcze wiele do zbadania w obszarze narodzin, życia i śmierci tych rozsianych we Wszechświecie obiektów.

Cykle życia i śmierci

Gwiazdy powstają w obłokach pyłu i gazu, gdy grawitacja cząstek wodoru zaczyna przezwyciężać siły magnetyczne i ciśnienia poruszających się niezwykle szybko drobinek. Atomy wodoru łączą się (H2) tworząc obłok molekularny. Gęstość materii wzrasta, temperatura podnosi się do milionów stopni (powstaje sferyczna protogwiazda), jądra wodoru zderzają się i łączą generując jądra helu. Zachodzi synteza jądrowa, zwana także fuzją - rodzi się gwiazda. Jej życie toczyć się będzie w cieniu procesów reakcji jądrowych, aż do wyczerpania zapasów gwiezdnej materii. Śmierć gwiazdy nastąpi w wyniku zużycia gwiezdnego paliwa - im cięższa będzie gwiazda, tym szybciej wyczerpie swój zapas.

Nadal przyjmuje się, iż lekkie gwiazdy (poniżej ośmiu mas Słońca) umierają spokojnie. Gdy ich paliwo się wypali, zewnętrzna powłoka ulatuje tworząc mgławice planetarne, zaś ich jądra przeobrażają się w białe karły, gęste obiekty wielkością zbliżonej do Ziemi, masą równe zaś połowie Słońca. 

Cięższe gwiazdy nie odchodzą cicho. Ich koniec bywa gwałtowny. Umierają w spazmach wybuchu supernowej (określanej jako typ II). Przez chwilę taka wybuchająca gwiazda przyćmiewa swym blaskiem wszystkie inne świecące obiekty galaktyki. Dlaczego tak się dzieje? Gwiazdy o dużej masie posiadają w składzie swego rdzenia żelazo oraz inne ciężkie pierwiastki, które spalając się zużywają energię zamiast ją uwalniać. Ciśnienie wówczas znacznie się zmniejsza i zaczyna dominować grawitacja. Wnętrze gwiazdy zapada się i gęstnieje. Zewnętrzne warstwy lekkich pierwiastków spadają z dużą szybkością na zapadające się jądro i zostają gwałtownie wyrzucone na zewnątrz. To właśnie nazywane jest wybuchem supernowej. Jądra atomów rdzenia tłoczą się tak blisko siebie, że uruchomiona zostaje siła przeciwdziałająca grawitacji - silne oddziaływanie jądrowe. Ściskane elektrony i protony przeobrażają się w neutrony. Tak rodzi się gwiazda neutronowa - niezwykle gęsty stan materii. W przypadku najbardziej masywnych gwiazd astrofizycy przewidują jeszcze inny scenariusz. Gwiazdy przekraczające dwudziestokrotnie masę Słońca zapadają się przełamując silne oddziaływania jądrowe i przechodzą przez fazę gwiazdy neutronowej. Ich ostatecznym celem pozostaje czarna dziura.

Anomalie - dżet i poświata

Pierwszym sygnałem, że niektóre gwiazdy kończą swój żywot nieco inaczej były odkryte jeszcze w latach sześćdziesiątych rozbłyski silnego promieniowania gamma (GRB), powstające prawdopodobnie w chwili narodzin gwiazdy neutronowej albo czarnej dziury. Pozostałość po gwieździe wyrzuca w tym przypadku tzw. dżet materii. Skąd biorą się takie efekty? Możliwe, że formująca się czarna dziura pochłaniając materię wyzwala taki błysk energii. Być może to pole magnetyczne hamuje silnie rotującą gwiazdę neutronową (magnetar) wyzwalając porcję energii podczas tej wirówki. Doenergetyzowany w ten sposób strumień gorącej plazmy przebija się przez materię na zewnątrz emitując promienie gamma. Czarna dziura albo gwiazda neutronowa stanowią tu rodzaj napędu (tzw. “silnika centralnego”) dla dżetu, który jest źródłem dodatkowej energii.

Dżet przeszywający gwiazdę może być sprawcą wyjątkowo jasnego wybuchu supernowej charakteryzowanej jako typ Ic-BL, a przenikając pył i gaz wywoływać powstanie tzw. poświaty - promieniowania elektromagnetycznego z całego zakresu częstotliwości. 

Powszechne czy wyjątkowe

Rozważając nietypowe procesy kończące ewolucję gwiazd może zastanowić się czy ich wyjątkowość nie wynika z trudności obserwacyjnych. Poświata, choć jest niezwykle silnym zjawiskiem, z powodu swej chwilowej natury, jest trudna do zaobserwowania. Dżet musi tutaj wycelować w stronę obserwatora, a obserwator musi wiedzieć gdzie należy patrzeć. W obserwacjach poświaty pomaga wcześniejsza rejestracja promieniowania gamma. Jednak aby w ogóle miała ona miejsce, dżet musi poruszać się niezwykle szybko (blisko prędkości światła).

Być może dżety nie są jednak szczególnym zjawiskiem, a jedynie ich niewielka część podlega obserwacji, sprawiając wrażenie zjawiska rzadkiego i osobliwego. Być może tylko niewielkiej liczbie dżetów udaje się przedostać przez gwiazdę, reszta jest spowalniana nie osiągając prędkości zbliżonej do granicy światła, która gwarantuje wydostanie się w przestrzeń kosmiczną i emisję gamma. Zatem to, iż przyrządy pomiarowe nie rejestrują powszechnych eksplozji promieniowania gamma nie musi oznaczać, iż zjawisko takie nie należy do typowych. 

Odrzuty materii

Odkryto również, że niektóre masywne gwiazdy w ostatnim okresie życia wyrzucają część materii swojej atmosfery w postaci gęstej otoczki gazowo - pyłowej, sygnalizując niejako swój nadciągający koniec. Podobne wyrzuty były znane już wcześniej, jednak w omawianych przypadkach imponująca jest ilość wydalanej materii - 1-10% masy gwiazdy. Podczas wybuchu cząstki materii zderzają się z wcześniej odrzuconą atmosferą tworząc spektakularne zjawiska astronomiczne. Bliska odległość otoczki od gwiazdy wskazuje na niewielki czas jaki poprzedza odrzut od wybuchu. Nie wiadomo jednak dlaczego tylko niektóre gwiazdy postępują w ten sposób. Spekuluje się, że powody mogą być związane z osiągnięciem bardzo dużej prędkości rotacji, albo interakcją z sąsiednimi gwiazdami. Przyczyny mogą leżeć także po stronie określonych procesów fizycznych zachodzących w rdzeniu gwiazdy na ostatnim etapie reakcji jądrowych.

AT2018cow

Niektóre ze wspomnianych anomalii miały miejsce w 2018 roku podczas obserwacji AT2018cow - astronomicznego zjawiska posiadającego cechy rozbłysku gamma. Promieniowania gamma jednak nie stwierdzono, natomiast zaobserwowano działanie “silnika centralnego” (promieniowanie rentgenowskie), który jednak pracował znacznie dłużej (tygodnie zamiast dni) niż w przypadku obserwacji “klasycznego” dżetu. Pośrednio stwierdzono także istnienie gazowo - pyłowej otoczki - podczas wybuchu zarejestrowano błysk światła widzialnego i fal radiowych wskazujący na zderzenia z materią otaczającą gwiazdę. Obserwacja ta wskazuje być może na wcześniejszy odrzut materii. Choć sugerowano rejestrację momentu powstania gwiazdy neutronowej (ewentualnie magnetara) albo czarnej dziury, wyjątkowa jasność rozbłysku (10 - 100 razy jaśniej niż klasyczna supernowa) oraz jego niezwykle krótki okres trwania (w ciągu 16 dni nastąpiła emisja większości energii), była zastanawiającą anomalią. Niektórzy astrofizycy na przyczyną zjawiska wskazywali także możliwość rozerwania białego karła poprzez czarną dziurę.

Sn2018gep

Początkowo zjawisko Sn2018gep sklasyfikowane zostało jak supernowa Ic-BL powiązana z rozbłyskiem gamma. Obserwacje nie potwierdziły jednak śladu dżetu ujawniając za to istnienie charakterystycznej otoczki - wskazywała na to emisja optyczna powstała podczas zderzenia otaczającej gwiazdę materii z cząstkami wybuchu. Takie otoczki - kokony obserwowano już wcześniej, nie są one jednak powszechnie powiązane z wybuchem supernowej charakteryzującym się emisją promieniowania gamma. 

Pytania bez odpowiedzi

Poczynione obserwacje stawiają jednak więcej pytań aniżeli udzielają odpowiedzi. Astronomowie nie są pewni czy zaobserwowane poświaty są całkowicie nowym zjawiskiem, czy tylko rodzajem rozbłysku gamma, który umknął rejestratorom promieniowania wysokoenergetycznego. Nie wiadomo też czy dżety mogą być tłumione przez kokony gazowej materii oraz jak rozpoznać emisję wysyłaną podczas przedśmiertnych spazmów gwiazdy, aby móc przewidzieć, która i kiedy wybuchnie. Pytanie dotyczą też częstości wybuchów każdego rodzaju oraz ich występowania w określonych typach galaktyk. I wreszcie chyba najważniejsze - czy mamy do czynienia z wieloma zjawiskami, czy astrofizycy są świadkami różnych przejawów tego samego zdarzenia. Obserwacje i badania trwają.