Niewidzialny towarzysz pochłaniający materię z widocznej gołym okiem gwiazdy gamma-Cas okazał się sprawcą dziwnego promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez ten układ gwiezdny. To zamyka sprawę tajemnicy, która intrygowała astronomów od ponad pięćdziesięciu lat.
Unikalne obserwacje o wysokiej rozdzielczości wykonane przez Misję Obrazowania i Spektroskopii X (XRISM) ujawniły, iż promieniowanie rentgenowskie jest powiązane z ruchem orbitalnym towarzyszącego mu białego karła, co pozwoliło astronomom w końcu rozwiązać tę zagadkę. Obserwacje zostały szczegółowo opisane w nowym artykule, którego kierownikiem jest Yaël Nazé z Uniwersytetu w Liege w Belgii.
Od dziesięcioleci wiele grup badawczych intensywnie pracuje nad rozwiązaniem zagadki gamma-Cas. I teraz, dzięki precyzyjnym obserwacjom XRISM, w końcu nam się to udało – mówi Yaël.
Wyniki badań został opublikowany w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics.
Tajemnica przesiąknięta historią
Gwiazda gamma-Cas jest widoczna w Europie każdej bezchmurnej nocy. Stanowi ona centralny punkt charakterystycznej konstelacji Kasjopei w kształcie litery „W”.
Pomimo swojej widoczności na nocnym niebie, pozostawała ona owiana tajemnicą od 1866 r., kiedy włoski astronom Angelo Secchi zauważył coś dziwnego w jej sygnaturze świetlnej. Jej wodorowy odcisk palca był jasny, podczas gdy w gwiazdach takich jak nasze Słońce zwykle pojawia się on jako ciemna linia.
Ta niezwykła cecha dała początek nowej klasie gwiazd, nazwanej gwiazdami Be, łącząc „B” kojarzone z gorącymi, niebiesko-białymi, masywnymi gwiazdami z „e” pochodzącym od osobliwej emisji wodoru.
Minęło kilka dekad, zanim astronomowie zrozumieli, iż emisje te pochodzą z wirującego dysku materii wyrzucanego przez gwałtownie obracającą się gwiazdę. Takie dyski mogą się z czasem tworzyć i rozpraszać, powodując zmiany jasności gwiazdy. To sprawia, iż do dziś jest ona popularnym celem obserwacji astronomów amatorów.
Wraz z udoskonalaniem obserwacji teleskopowych, możliwe stało się monitorowanie ruchu gamma-Cas, co ujawniło, iż musi ona mieć gwiazdę towarzyszącą o małej masie. Ponieważ towarzysz pozostaje niewidoczny dla teleskopów, astronomowie przypuszczają, iż może to być biały karzeł, zwarty obiekt o masie Słońca, ale rozmiarach Ziemi.
Następnie, w połowie lat 70. XX wieku, pojawiła się nowa zagadka. Odkryto, iż gamma-Cas świeci w nietypowym, wysokoenergetycznym promieniowaniu rentgenowskim. Dalsze badania wykazały, iż źródłem tego promieniowania rentgenowskiego jest głównie ekstremalnie gorąca plazma o temperaturze 150 mln stopni, świecąca z jasnością około 40 razy większą niż typowo oczekiwano dla tak masywnych gwiazd.
Wraz z pojawieniem się teleskopów kosmicznych wykonujących zdjęcia rentgenowskie, takich jak XMM-Newton należący do ESA, Chandra należący do NASA i prowadzony przez Niemcy eROSITA, astronomowie odkryli około dwudziestu gwiazd typu gamma-Cas o podobnej, nietypowej emisji promieniowania rentgenowskiego, co czyni je szczególną grupą wśród gwiazd typu Be.
Dwie ostatnie teorie
Przez lata wyjaśnienie wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego sprowadzało się do dwóch konkurujących teorii. Czy lokalne pole magnetyczne gwiazdy oddziałuje z polem magnetycznym otaczającego ją dysku, wytwarzając gorącą materię? A może promieniowanie rentgenowskie powstaje w wyniku opadania materii dysku gwiazdy typu Be na towarzyszącego jej białego karła?
Wreszcie istnieje instrument o wystarczająco wysokiej precyzji, aby rozwiązać tę zagadkę – spektrometr wysokiej rozdzielczości Resolve, należący do XRISM. Podczas dedykowanej kampanii obserwacyjnej XRISM ujawnił, iż sygnatury gorącej plazmy podążają za ruchem orbitalnym niewidocznej gwiazdy towarzyszącej. Innymi słowy, towarzyszący jej biały karzeł pochłania materię z gamma-Cas, emitując przy tym promieniowanie rentgenowskie.
Poprzednie prace z wykorzystaniem XMM-Newton naprawdę utorowały drogę dla XRISM, umożliwiając nam wyeliminowanie wielu teorii i udowodnienie, która z dwóch ostatnich konkurujących teorii była poprawna. To niezwykle satysfakcjonujące, iż w końcu mamy bezpośrednie dowody na rozwiązanie tej zagadki! – mówi Yaël.
Zrozumienie, iż obiekty gamma-Cas to gwiazdy typu Be połączone z białym karłem, który akreuje materię, rozwiązuje zagadkę rentgenowską. Ale otwiera również nową ciekawostkę dotyczącą tego, jak powstaje i ewoluuje szersza populacja tego typu układów podwójnych .
Od dawna oczekiwano, iż takie pary będą powszechne, głównie wśród gwiazd o małej masie. Jednak nowe badania pokazują, iż są one rzadsze niż przewidywano i występują raczej w gwiazdach typu Be o dużej masie.
Uważamy, iż kluczem jest zrozumienie, jak dokładnie zachodzą interakcje między tymi dwiema gwiazdami. Teraz, gdy znamy prawdziwą naturę gwiazd gamma-Cas, możemy tworzyć modele specjalnie dla tej klasy układów gwiezdnych i odpowiednio aktualizować naszą wiedzę na temat ewolucji układów podwójnych – podkreśla Yaël.
Ten wspaniały wynik podkreśla silną współpracę japońskich, europejskich i amerykańskich zespołów XRISM. Ten międzynarodowy zespół łączy w sobie wiedzę techniczną i naukową niezbędną do rozwiązania największych tajemnic Wszechświata w zakresie promieniowania rentgenowskiego i otwarcia nowych dróg badań – dodaje Matteo Guainazzi, naukowiec projektu XRISM w ESA.
