Když Slunci podobná hvězda jde do důchodu

Umělecké ztvárnění explodujícího bílého trpaslíka, který na svém povrchu akumuluje materiál gravitačně vysátý z doprovodné hvězdy. Kredit: Annika Kreikenbohm, eROSITA Collaboration

Fyzikální zákony přiřkly „tuctovým“ hvězdám do desetinásobku hmotnosti našeho Slunce jednoznačný osud. V závěru aktivní hvězdné kariéry, když jim v jádru dojde vodíkové palivo pro fúzní reakci, vstoupí do fáze proměny v takzvaného bílého trpaslíka. Toto závěrečné drama má trochu jiný scénář pro hvězdy s původní hmotností do přibližně dvojnásobku Slunce a jiný pro ty těžší (podrobněji například zde). Nicméně to, co po miliony let trvající proměně zbude jako bílý trpaslík, je vskutku na hvězdu poměrně malé těleso – rámcově srovnatelné s velikostí Země, s velmi vysokou hustotou – přibližně tuna na cm³, ve většině případů složené z uhlíku a  kyslíku, tedy popele fúzních reakcí helia [3 ⁴He → ¹²C + energie] a helia s uhlíkem [¹²C + ⁴ He → ¹⁶O + energie]. Tato superhustá hmota je v kvantovém stavu takzvaného degenerovaného plynu, u něhož zvyšování teploty nevede k zvětšení objemu a tlaku, jako to známe u běžných plynů, které se chovají slušně podle stavové rovnice.

I když bílý trpaslík je zpočátku velmi žhavým tělesem s povrchovou teplotou až 20 tisíc kelvinů a teplotou jádra v milionech kelvinů, je neaktivním, pomalu chladnoucím tělesem. Tepelně se vyrovná se svým vesmírným okolím a stane se z něho v elektromagnetickém spektru neviditelný černý trpaslík až za mnoho miliard let. Dobu o hodně a případně i násobně delší, než je věk samotného vesmíru. Což hledání vychladlého černého trpaslíka v současnosti předem odsuzuje k neúspěchu.

Snímek novy YZ Reticuli pořízen v roce 2020 rentgenovým teleskopem eROSITA (převedený do barevného zobrazení) Kredit: König et al., Nature, 2022

Hvězdný důchodce ve svazku s aktivním souputníkem má šanci zazářit…

Uvedený scénář platí pro osamocené bílé trpaslíky vzniklé z hvězd, jakým je například naše Slunce. Je ale nemálo těch, které „žijí“ v binárním systému, v němž dvě hvězdy obíhají kolem společného těžiště – barycentra. Takovýto gravitačně spjatý svazek, zejména když je poměrně těsný, může ovlivnit osudy obou těles. Představme si jednu z mnohých možných situací, že jedna hvězda je již v důchodu jako horký, ale neaktivní bílý trpaslík a druhá se v závěru aktivního života nafoukla do fáze červeného obra s velmi nízkou hustotou své atmosféry. (Poznámka: Slunce, které do fáze červeného obra dospěje za přibližně 5 miliard let, se rozepne až do oblasti dráhy Země).

V závislosti od vzájemné vzdálenosti a tvaru oběžných drah může docházet k trvalému nebo jen občasnému, gravitačně řízenému přesunu plynu z obálky červeného obra k povrchu bílého trpaslíka, kde se postupně hromadí a ohřívá jak zbytkovým teplem vyhaslé hvězdy, tak zvyšujícím se tlakem. Když teplota ve vnitřní oblasti naakumulované obálky dosáhne kolem 20 milionů kelvinů, rozžehne se fúzní proměna vodíku v helium (CNO cyklus). Překotný proces uvolňuje obrovské množství energie, jež se šíří obálkou a ohřívá ji. Nakonec se v ní naruší rovnováha mezi zářením a gravitací a část žhnoucího plynného obalu exploduje do okolí, kde vytvoří postupně se rozpínající mlhovinu. Původně nenápadného bílého trpaslíka v dalekohledech nebo i volným okem zaregistrujeme jako rozzářenou „novou hvězdu“ – novu. Když podstatná část vodíku v obálce shoří v helium a odvrhnutím plynu tlak v ní klesne, fúze postupně pohasne, nově získaná energie se řádově v měsících vyzáří a bílý trpaslík se vrátí k původní svítivosti. Celý proces se může opakovat. Mnohokrát, přičemž perioda se výrazně liší. Samozřejmě, že astronomové doposud mohli zaregistrovat jen novy, u nichž mezi dvěma vzplanutími uběhly řádově měsíce, roky, desetiletí, výjimečně století.

… i celý explodovat

Lokalizace 8 816 světelných let vzdálené novy YZ Reticuli (ZY Ret) v oblasti jižního souhvězdí Sítě (Reticulum). Kredit: R. Sinnott & R. Fienberg, IAU, Sky & Telescope magazine, Wikipedia, CC 3.0

Bílý trpaslík si však při každé explozi novy část akrecí získaného plynu ponechá. Postupně tak zvyšuje svoji hmotnost, tedy i gravitační sílu. Může se pak stát, že na jeho povrch v krátké době přeteče tolik nového materiálu, že překročí Chandrasekharův hmotnostní limit - 1,44násobek hmotnosti Slunce. To rozežne fúzní reakce i v jeho jádru, kde se začne překotně spalovat uhlík, a gigantické množství uvolněné energie bílého trpaslíka roztrhá v explozi, kterou pozorujeme jako supernovu 1a.

Předpovězené stadium „fireball“ potvrzeno

Ale vraťme se k nově, která bílého trpaslíka nezničí, protože se děje jen v naakumulované plynné obálce. V červenci před dvěma lety astronomové zaznamenali na jižní obloze, v malém souhvězdí Sítě (Reticulum) výrazně zjasněný objekt, nějakou dobu pozorovatelný i volným okem se zdánlivou jasností o maličko menší, než má například Megrez – hvězda společná oji i korbě Velkého vozu. Šlo o jednu ze 13ti galaktických nov objevených v roce 2020, takže nic převratného. Přesto tomuto objektu, astronomy označeném jako YZ Ret, věnoval na svých stránkách prostor i časopis Nature. Přesněji studii německo-španělského týmu astronomů, který v ní světu oznamuje první detekci rentgenového záblesku, jenž podle předpokladů předchází optickému zjasnění novy. Předtím nebyl zachycen, protože nelze předem přesně předvídat, kdy a kde na obloze nějaká nova zazáří. A tak jevy, které tomuto povětšinou i tak jen v dalekohledech pozorovatelnému zjasnění předcházejí, pomůže zaznamenat jen šťastná náhoda. A ta přála týmu eROSITA. Přístroj je jedním ze dvou rentgenových dalekohledů na rusko-německé vesmírné observatoři pro astrofyziku vysokých energií Spektr-RG (Spektrum-Rentgen-Gama). Od 30. října 2019 mapuje oblohu z oběžné dráhy kolem Lagrangeova libračního bodu L2. Zatímco eROSITA, jež se zrodila v Ústavu Maxe Plancka pro extraterestriální fyziku v německém Garchingu, je konstruována na snímání oblohy v oblasti měkkého rentgenového záření s energiemi 0,2 – 10 keV, druhý, ruský, teleskop ART-XC zachytává tvrdé rentgenové záření s energiemi 5 – 30 keV. Jde žel o projekt, který postihla současná geopolitická situace, kvůli níž tým eROSITY 26. února 2022 pozastavil činnost přístroje.

Rentgenový teleskop eROSITA se skládá ze sedmi identických zrcadlových modulů. Každý z nich je připojen k vlastnímu rentgenovému detektoru. U každého detekovaného fotonu se registruje čas příletu, jeho energie (vlnová délka) a lokalizace na obloze. Kredit: Johannes Buchner, Wikipedia, CC 4.0

Nicméně ještě v roce 2020, během svého druhého celooblohového mapování v době od června do prosince 2020 eROSITA opakovaně procházela i oblast oblohy v jižním souhvězdí Sítě. Prvních 22 průletů zde neodhalilo nic výjimečného. Při 23. průletu, byl ale detekován extrémně jasný zdroj měkkého rentgenového záření, který při dalším, 24. průletu již nalezen nebyl. Celý záblesk nemohl tedy trvat déle než osm hodin. Přesně v místě jeho zdroje, ale o 11 hodin později, zazářila nova YZ Reticuli, jejíž svítivost ve viditelné oblasti světla prudce vzrostla o 9 magnitud. První astronom si ji však všiml až o 6 dnů později.

První celooblohová (vyhlazená) mapa nasnímaná teleskopem eROSITA: červeně fotony s energií 0,3-0,6 keV, zeleně 0,6-1 keV, modře 1-2,3 keV. Červená difúzní záře směrem od roviny Galaxie je záření horkého plynu v okolí sluneční soustavy (místní bubliny). Celkově bylo na snímku celé oblohy eROSITA detekováno asi milion rentgenových zdrojů. Kredit: J. Sanders, H. Brunner a tým eSASS (MPE); Eugene Churazov, Marat Gilfanov (za IKI), Wikipedia, CC 4.0

Kamery eROSITY, které krátce před viditelnou explozí hleděly ve správný čas správným směrem, zasáhlo tolik rentgenových fotonů, až přeexponovaly centrální část detektoru. Proto vědci při analýzách využili simulátor SIXTE, určený speciálně ke studiu jasných objektů. Získaná spektrální křivka rentgenového zdroje odpovídá záření atmosféry bílého trpaslíka s fotosférou jen o málo větší, než je on sám, a který dosáhl takzvanou Eddingtonovu svítivost, což je maximální svítivost vesmírného tělesa při zachované rovnováze odstředivé síly záření a dostředivé síly gravitační. To charakterizuje i fázi „ohnivé koule“, která byla pro novu teoreticky předpovězena již v roce 1990, ale její rentgenový otisk se podařilo odhalit až nyní. Když se pak rovnováha naruší a dojde k explozi a expanzi materiálu do okolního prostoru, ochladí se. Tím se vyzařované světlo přesune z krátkých rentgenových vlnových délek do delších optických a nova se rozjasní ve viditelném světle.

"Rentgenové záření je emitováno jako důsledek překotných termonukleárních reakcí. Při procesu fúze vzniká velké množství energie, která se šíří obálkou tvořenou převážně vodíkem," vysvětluje první autor studie, Ole König z Observatoře dr. Karla Remeise, která přináleží Univerzitě Friedricha Alexandra v bavorském Erlangenu. "Když dosáhne vrcholu obálky, vznikne z novy velmi žhavé zářící černé těleso (v případě YZ Ret t = 327 000 K) neboli 'ohnivá koule'. Vrchol vyzařování tohoto černého tělesa je v měkkém rentgenovém záření. Výbuch (novy) je velmi, velmi dynamická událost. Obálka se rychle rozpíná a teplota klesá. Zdroj se tak stává viditelným v optickém světle až několik hodin po rentgenovém záblesku."

Výsledky umožnily týmu provést několik klíčových měření, jako načasování termonukleární reakce a vývoj teploty po celou dobu trvání novy. Teoretická práce rovněž naznačuje, že fáze ohnivé koule novy YZ Ret odpovídá zdrojovému bílému trpaslíku s hmotností 0,98násobku hmotnosti Slunce.

O novách odborněji: Hvězdy – Proměnné hvězdy – Novy

Video: eROSITA - celá obloha v rentgenovém světle Kredit: Max Planck Society

Video: Co je to nova? Porovnání se supernovou. Kredit Fraser Cain

Literatuta: Nature, Physicsworld