10 Minute
O aparentă stea gigantă roșie ce orbitează un companion invizibil în sistemul Gaia BH2 rescrie așteptările privind modul în care stelele îmbătrânesc. Amprenta sa chimică spune „străveche”, dar ceasul său interior și ritmul de rotație spun „mijlocie” — iar această nepotrivire indică un trecut violent care i-a modificat evoluția.
Un paradox al vârstei: chimia versus bătăile inimii stelare
Când astronomii analizează lumina unei stele, ei citesc o biografie extinsă: temperatura, compoziția chimică și urmele proceselor prin care a trecut. Companionul din Gaia BH2 este bogat în elemente alfa — elemente precum oxigen, neon, magneziu și siliciu — care se formează în generațiile timpurii de stele masive și sunt, în mod normal, frecvente în stelele născute în epocile foarte timpurii ale Universului. Doar pe baza acestei chimii, această stea ar fi încadrată, în mod uzual, drept foarte bătrână, cu o vârstă de ordinul a zece miliarde de ani.
Cu toate acestea, satelitul NASA TESS a ascultat palidul său scânteiet de lumină — cutremurele stelare — și a emis un verdict diferit. Asteroseismologia, studiul acestor oscilații, a scos la iveală proprietăți ale nucleului care indică o vârstă mai apropiată de cinci miliarde de ani. După cum remarcă Daniel Hey, autorul principal al noii lucrări publicate în The Astrophysical Journal, „Stelele tinere, dar bogate în elemente alfa sunt destul de rare și derutante. Combinația dintre tinerețe și chimie antichizată sugerează că această stea nu a evoluat în izolare.”
Gaia BH2 (UCAC4 154-126202) (în centru) este un sistem binar format dintr-o stea și o gaură neagră de masă stelară.
Cum au sondat astronomii steaua și ce au descoperit
Echipa a îmbinat asteroseismologia din spațiu cu spectroscopie terestră de înaltă precizie. Asteroseismologia funcționează similar cu seismologia terestră: oscilațiile poartă informații despre densitatea internă, gradientele de temperatură și masa nucleului. Aceste măsurători au restrâns stadiul evolutiv real al stelei cu o precizie neobișnuit de mare, permițând cercetătorilor să identifice discrepanțele dintre semnătura chimică superficială și structura internă.
Spectroscopia de mare rezoluție, obținută de la telescoapele terestre, a identificat abundențele relative ale elementelor și raporturile izotopice de la suprafață. Combinația acestor date a permis determinarea parametrilor fundamentali: masa estimată, raza, luminozitatea și compoziția suprafeței. Prin sinteza datelor spectroscopice cu modurile seismice detectate de TESS, s-a obținut o imagine coerentă a structurii interne, a ratei de disipare a energiei și a istoricului recent de acumulare de masă.
Un rezultat cheie este că modelele standard de evoluție stelară pentru stele single nu pot reproduce simultan toate proprietățile observate. Modelele care iau în calcul interacțiuni binare — cum ar fi transferul masiv de material sau coliziunile și fuziunile stelare — reușesc să explice mai bine profilul observat. Acest lucru pune în evidență importanța dinamicii binare în interpretarea spectrelor și a vârstelor aparente ale stelelor, mai ales când intervine un obiect compact, invizibil, precum o gaură neagră stelară.
Rotația dezvăluie un transfer ascuns de impuls
O altă anomalie: gigantul roșu își finalizează o rotație în aproximativ 398 de zile — mult mai rapid decât s-ar aștepta pentru o stea izolatã cu caracteristici similare. Pe măsură ce o stea își extinde învelișul și devine gigantă, momentul cinetic specific scade, iar rotația încetinește semnificativ. Rotația neașteptat de rapidă indică, prin urmare, un eveniment extern care a injectat impuls unghiular și masă.
Injectarea de moment cinetic poate apărea prin mai multe mecanisme asociate mediului binar: transfer stabil de masă de la un companion, un episod de acumulare rapidă (common-envelope sau disc de acreție temporar), sau o fuziune completă cu un alt obiect stelar. În fiecare caz, suprafața stelei poate fi reîmprospătată chimic, iar învelișul exterior poate căpăta o rotație diferită față de nucleu. Măsurătorile seismice permit, într-o anumită măsură, să se diferențieze rotația nucleului de rotația învelișului, oferind indicii despre cât de recent s-a produs evenimentul.
Mai mult, rotația mai rapidă poate susține un câmp magnetic mai puternic în înveliș, ceea ce are efecte secundare asupra pierderii de masă și a ventilației convective. Aceste procese pot modifica liniile spectrale și pot complica interpretarea abundențelor chimice observate. Prin urmare, pentru a înțelege «vârsta» aparentă a stelei — atât chimică, cât și evolutivă — este esențial să se considere interacțiunea complexă dintre dinamică, chimie și transportul de moment cinetic.
Istoria probabilă: fuziuni sau transfer violent de masă
Cele mai plauzibile explicații implică evenimente stelare violente. Ori de câte ori un sistem binar trece prin episoade de transfer de masă la scară mare sau prin fuziuni, proprietățile observabile ale componentelor se pot schimba rapid. În cazul Gaia BH2, fie gigantul roșu s-a contopit cu o stea companion la un moment dat din trecut, fie a acumulat cantități substanțiale de material în timpul formării găurii negre, provenind de la un companion anterior care a explodat ca supernova sau s-a prăbușit.
Atât fuziunea, cât și un transfer masiv de material contribuie la creșterea masei și a impulsului unghiular, pot altera abundențele superficiale (prin amestecuri convective forțate sau prin contaminare cu material procesat), și pot modifica modul în care steaua arată din punct de vedere asteroseismic. Aceste scenarii explică de ce observăm o suprafață „bogată în elemente alfa” alături de un nucleu care pare mai tânăr: chimia reflectă istoria îndepărtată a materialului din care a fost construită steaua, iar structura internă a fost modificată relativ recent de evenimente dinamice.
Observațiile sugerează, de asemenea, că gaura neagră companionă din Gaia BH2 este momentan inactivă: nu există emisii X detectabile asociate unei acreții intense. Prezența companionului întunecat a fost dedusă prin micile oscilații în mișcarea stelei vizibile, detectate de misiunea Gaia a Agenției Spațiale Europene. Metoda astrometrică folosită de Gaia a expus o populație nouă de găuri negre stelare „line” sau dormante, care altfel ar rămâne invizibile pentru telescoapele tradiționale axate pe radiația X sau optică intensă.
Recunoașterea acestor sisteme dormante modifică sensibil estimările populațiilor de obiecte compacte din Calea Lactee. Dacă multe găuri negre stau într-un «modus dormient» fără emisii X semnificative, atunci numărul total de astfel de obiecte ar putea fi mult mai mare decât se estima anterior. Aceasta are implicații pentru ratele de fuziune detectate de observatoarele de unde gravitaționale, pentru evoluția binarelor masive și pentru modelele de formare a găurilor negre de masă stelară.
Impresie artistică a satelitului ESA Gaia observând Calea Lactee.
Implicații și pașii următori
Această descoperire are două implicații mai largi. În primul rând, arată cum interacțiunile binare și fuziunile pot masca vârsta reală și istoria chimică a unei stele. O stea care, pe hârtie, pare veche prin compoziția sa poate, de fapt, să prezinte un nucleu reîmprospătat sau o structură internă modificată de evenimente recente. În al doilea rând, companionii de tip gaură neagră dormanți pot păstra urme ale coliziunilor trecute sau ale evenimentelor de transfer de masă care s-ar estompa sau s-ar pierde în sisteme active intens strălucitoare.
Echipa de cercetare a examinat, de asemenea, Gaia BH3, unde oscilațiile așteptate nu au fost detectate — un semnal că modelele actuale pentru companiile extrem de sărace în metale și pentru anumite configurații binare foarte disparate pot necesita revizuire. Absența oscilațiilor pune întrebări despre interiorul acestor stele: pot fi nucleele lor prea tranziționale, modelele de excitație nefiind persistente, sau efecte atmosferice sau de rotație mascând semnalele seismice?
Planurile viitoare includ noi observații TESS cu perioade temporale mai lungi, care vor îmbunătăți detectarea oscilațiilor și măsurarea ratelor de rotație pentru Gaia BH2 și sisteme similare. Timpul mai lung de monitorizare permite detectarea modurilor seismice cu amplitudini mici și a modurilor cu perioade lungi, sporind sensibilitatea la structuri interne subtile. De asemenea, următoarele campanii spectroscopice de mare rezoluție, combinate cu măsurători astrometrice suplimentare de la Gaia, vor contribui la reducerea incertitudinilor privind orbita, masa companionului și istoricul de transfer de masă.
În paralel, dezvoltarea modelării numerice a binarelor care includ hidrodinamica transferului de masă, evoluția rotativă și mixarea chimică este esențială. Modelele 1D standard nu surprind fenomenele tridimensionale intense ce apar în fazele de fuziune sau în episoadele de acreție rapidă. Simulările 3D pot reproducesc mai fidel fluxurile de moment cinetic, formarea discului de acreție temporar și efectele de curgere care alterează abundențele suprafeței.
Există și implicații pentru astrofizica populațiilor: dacă un procent semnificativ dintre stelele catalogate ca «târzii» sau «vârstnice» au suferit evenimente de fuziune sau acumulare recentă, atunci diagramele de culoare-magnitudine și distribuțiile de vârstă inferate pentru diferite componente ale galaxiei trebuie reinterpretate. Acest lucru afectează estimările istoricului de formare stelară al discului galactic, al halo-ului și al populațiilor bulgare, în special atunci când se folosesc abundențe de elemente alfa ca indicatori cronologici primari.
În concluzie, studiul Gaia BH2 este un exemplu elocvent al modului în care observațiile multi-tehnice — asteroseismologie, spectroscopie de înaltă precizie și astrometrie fină — pot dezvălui istoria ascunsă a stelelor. Identificarea și analizarea sistemelor binare cu găuri negre dormante oferă o fereastră unică în procese dinamice care modelează evoluția stelară și populațiile de obiecte compacte în Calea Lactee. Pe măsură ce eșantioanele observate cresc și modelele se îmbunătățesc, vom putea cuantifica mai precis cât de frecvente sunt istoriile violente care pot „rescrie” vârstele stelare aparent paradoxale.
Sursa: sciencealert
Lasă un Comentariu