Protogwiazdy mogą emitować promieniowanie ultrafioletowe

Nawet protogwiazdy, w których nie zachodzą jeszcze reakcje termojądrowe, są zdolne emitować promieniowanie ultrafioletowe – pokazują badania z wykorzystaniem teleskopu Jamesa Webba.

Promieniowanie ultrafioletowe emitowane przez protogwiazdy

.To, że gwiazda w dojrzałym wieku – taka jak Słońce – emituje promieniowanie ulrafioletowe (UV), łatwo zbadać na własnej skórze – wystarczy nie posmarować się w upał kremem do opalania, albo założyć i zdjąć okulary słoneczne. Na którym jednak etapie rozwoju gwiazdy takie jak Słońce rozpoczynają produkcję promieniowania UV? Czy wtedy, gdy zachodzą już tam reakcje termojądrowe? Czy może wcześniej – jeszcze kiedy gwiazda się formuje i skrywa się w ciemnym obłoku kosmicznego pyłu i gazu?

Postanowił to zbadać zespół z USA, Polski i Niemiec pod kierunkiem dr Agaty Karskiej z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu (UMK) i Iasona Skretasa z Max Planck Institute for Radio Astronomy.

Badacze wzięli na warsztat tzw. protogwiazdy, a więc liczące mniej niż pół miliona lat gwiazdy w początkowym etapie ich formowania. Za pomocą ogromnego teleskopu kosmicznego Jamesa Webba naukowcy zajrzeli do obłoków molekularnych, w których formuje się obecnie pięć młodych gwiazd w obszarze gwiazdozbioru Wężownika. I znaleźli tam ślady promieniowania UV. Z ich analiz wynika, że to promieniowanie pochodzi z wnętrza układu. Wyniki prac ukazały się w czasopismie “Astronomy & Astrophysics”.

W przekonaniu dr Agata Karskiej zrozumienie roli UV w procesie powstawania gwiazd jest niezwykle ważne, bo obecność tego promieniowania zmienia „przepis” na nową gwiazdę. Jeśli wokół młodej gwiazdy występuje UV, to gaz w jej otoczeniu nagrzewa się inaczej, a jego skład chemiczny ulega zmianie. A to przecież z tej materii powstanie protoplanetarny dysk, z którego uformują się planety. Warto więc uwzględniać tę wiedzę o istnieniu UV w symulacjach i modelach formowania się gwiazd i planet.

Aby obiekt urósł do takiej masy, aby rozpoczęła się tam reakcja termojądrowa, musi najpierw ściągnąć na siebie materię z obłoku molekularnego. Pod wpływem rotacji i pola magnetycznego część materii wyrzucana jest z tego obszaru z ogromną prędkością w dwóch przeciwnych kierunkach (dwubiegunowe dżety). Te strumienie materii uderzają w otaczający jeszcze gwiazdę gaz, tworząc fale uderzeniowe (szoki). A fale uderzeniowe z kolei rozgrzewają gaz, co sprawia, że zaczyna on emitować promieniowanie.

Dr Agata Karska wyjaśnia, że aby zmierzyć promieniowanie UV w protogwieździe, nie wystarczy skierować tam teleskop rejestrujący promieniowanie w tym zakresie. Problemem jest to, że miejsca powstawania protogwiazd wydają się być na niebie „dziurami w kosmosie”. Pył kosmiczny w obłokach otaczających protogwiazdy skutecznie zasłania to, co dzieje się w bliskim otoczeniu protogwiazdy. Choć przez te obłoki nie przedostaje się światło widzialne i promieniowanie UV, to przedostaje się promieniowanie podczerwone, a więc fale elektromagnetyczne o mniejszej energii.

Obserwacje za pomocą Teleskopu Webba

.Dlatego badacze użyli kosmicznego teleskopu Jamesa Webba, a konkretnie instrumentu MIRI, czyli spektroskopu działającego w średniej podczerwieni. Z informacji, jakie to promieniowanie podczerwone niesie, można zaś wyciągnąć informacje o związkach chemicznych, które tam powstają i o tym, jak się rozkładają.

Astronomowie poszukiwali tam informacji o cząsteczkach wodoru molekularnego (H2). Choć to najprostsza i najbardziej powszechna cząsteczka we wszechświecie – niezwykle trudno ją obserwować. W informacjach o H2 zaszyte są jednak informacje o promieniowaniu UV. I te informacje udało się uzyskać.

„Nasze obserwacje i analizy potwierdziły, że promieniowanie UV musi być wytwarzane lokalnie (…). Jest ono od 10 do 100 razy silniejsze niż średnie promieniowanie UV w ośrodku międzygwiazdowym” – mówi Agata Karska.

Dr Agata Karska tłumaczy, że badania były możliwe dzięki teleskopowi Jamesa Webba. Dane przez niego zbierane pozwalają z niebywałą dokładnością wyczytać informacje o związkach chemicznych obecnych w otoczeniu źródła światła.

Polska nie była partnerem przy budowie teleskopu Jamesa Webba, więc nie ma tam tzw. czasu gwarantowanego na swoje badania. Polscy naukowcy mogą jednak startować w otwartych konkursach.

Z gwiazd powstaliśmy, w gwiazdy się obrócimy

Członek Polskiego Towarzystwa Astronomicznego, Piotr KOŁACZEK-SZYMAŃSKI, na łamach „Wszystko co Najważniejsze” twierdzi, że: „Pod koniec swojego życia gwiazda wykonuje gwałtowne oscylacje. W skali setek lub tysięcy lat doznaje gwałtownych rozprężeń, staje się wyraźnie większa i chłodniejsza, a następnie się kurczy. Jej powierzchniowe obszary są przyciągane zbyt słabo i „odlatują” od niej. Rozpad następuje warstwowo. Trwa to przez tysiące lat. Jedyne, co pozostaje, to jądro, biały karzeł złożony z węgla i tlenu, otoczony przez gaz, który powstaje w procesie odpadania warstw”.

„Mniejsze gwiazdy kończą swój żywot na etapie spalania węgla i tlenu. Gwiazdy masywniejsze są tak ciężkie, że w pozostających z nich białych karłach dochodzi do takiego wzrostu temperatury, że nawet tlen i węgiel spalają się i przechodzą w kolejne pierwiastki. Gwiazda staje się czerwonym nadolbrzymem. Na samym końcu tego procesu, bezpośrednio przed eksplozją supernowej, w jej jądrze pojawia się żelazo. Od tego momentu gwiazda nie może generować więcej energii. Po raz kolejny dochodzi do stanu krytycznego w jej życiu – zaczyna się rozpadać”.

„W pewnym momencie w jądrze robi się tak gęsto, że nawet elektrony pełzające wokół atomów żelaza nie mogą już dłużej tego robić. Zaczyna się proces neutronizacji materii. Elektrony wnikają w jądro atomów i zamieniają protony w neutrony. Żelazo zostaje zniszczone – powstaje gwiazda neutronowa”.

„Jądro gwiazdy neutronowej kurczy się i jednocześnie staje się sprężyste. Odbija się od zewnętrznej materii gwiazdy jak piłka. Powoduje to powstanie dużej fali uderzeniowej. Napór materii z zewnątrz jest tak duży, że powoduje zatrzymanie fali uderzeniowej w miejscu, w wyniku czego gwiazda zaczyna się niebywale rozgrzewać. Wskutek tego wybuchowego, deflagracyjnego spalania się powstaje duża część układu okresowego pierwiastków. Materia po śmierci gwiazdy, składająca się z pierwiastków ciężkich, może zasilić nowo powstające gwiazdy i planety”.

„Pierwiastki, z których się składamy, na przykład węgiel, azot i tlen, powstają dzięki śmierci mało masywnych gwiazd, jak nasze Słońce. W wyniku eksplozji supernowej powstaje tlen. Nasze ukochane złoto i srebro są efektem procesu jeszcze rzadszego – „zlania się” dwóch gwiazd neutronowych. Każdy atom węgla, tlenu i azotu w naszym ciele – kiedyś był obecny we wnętrzu gwiazdy. Bez nich nie moglibyśmy zaistnieć. Nasze życie powstało za sprawą gwiazd” – pisze Piotr KOŁACZEK-SZYMAŃSKI w tekście „Z gwiazd powstaliśmy, w gwiazdy się obrócimy” – cały artykuł [LINK]

Ludwika Tomala/PAP/eg