Zbadanie procesu powstawania węgla w umierających gwiazdach przypominających Słońce posłuży do analizy galaktyk
Czy kiedykolwiek zastanawialiście się, skąd pochodzi węgiel w naszych ciałach i czy wszyscy jesteśmy stworzeni z gwiazd? Węgiel – główny element związków organicznych znajdujący się we wszystkich organizmach żywych na Ziemi – oraz jego pochodzenie to temat często badany przez astrofizyków. Aby odnaleźć główne źródła węgla, międzynarodowy zespół badaczy przeanalizował grupy białych karłów, bardzo gęstych gwiezdnych pozostałości, które stopniowo stygną i ciemnieją przez miliardy lat. Naukowcy odkryli, że większość węgla w naszej galaktyce pochodzi z gwiazd dwukrotnie większych niż Słońce, uwalniających duże ilości masy i przeistaczających się w małe gwiazdy zwane białymi karłami. Badanie było wspierane przez finansowane ze środków UE projekty WD3D oraz STARKEY, a jego wyniki opublikowano w czasopiśmie „Nature Astronomy”. Na potrzeby badania naukowcy wykorzystali obserwacje białych karłów w otwartych gromadach gwiazd, czyli grupach liczących do kilku tysięcy gwiazd, utrzymywanych razem poprzez wzajemną grawitację i utworzonych na Drodze Mlecznej w mniej więcej tym samym czasie. Wykorzystane dane pochodziły z obserwatorium W. M. Keck na Hawajach. Pozyskano je w 2018 roku. Badacze odkryli, że masy analizowanych białych karłów „były znacząco większe, niż przewidywano, komplikując stosunek masy początkowej do masy końcowej (ang. initial-final mass relation, IFMR) dla gwiazd o masach początkowych w określonym zakresie”, jak podano w komunikacie prasowym opublikowanym przez Uniwersytet Stanu Kalifornia-Santa Cruz. W tym samym artykule główna autorka, prof. Paola Marigo z Uniwersytetu w Padwie, gospodarza projektu STARKEY, stwierdza: „Nasze badanie interpretuje tę komplikację (…) jako znak rozpoznawczy syntezy węgla przeprowadzanej przez gwiazdy o niskiej masie znajdujące się na Drodze Mlecznej”.
Od narodzin do śmierci
Jak wyjaśniają badacze w artykule, stosunek IFMR „łączy masę początkową gwiazdy z masą niewielkich szczątków pozostałych po jej śmierci”. Na ostatnich etapach ich życia gwiazdy te rozprzestrzeniają swoje prochy w otaczającej je przestrzeni poprzez gwiezdne wiatry wzbogacone w pierwiastki chemiczne, w tym węgiel. W komunikacie dodano: „Szczegółowe modele gwiezdne zespołu wskazują, że eliminacja bogatej w węgiel zewnętrznej powłoki nastąpiła wystarczająco wolno, aby umożliwić centralnym rdzeniom tych gwiazd, przyszłym białym karłom, znaczny wzrost masy”. Dalej czytamy: „Analizując skomplikowany aspekt stosunku masy początkowej do masy końcowej, badacze stwierdzili, że gwiazdy większe niż dwukrotność masy słonecznej również przyczyniały się do wzbogacania galaktyki w węgiel w przeciwieństwie do gwiazd o masie mniejszej niż 1,5 masy słonecznej”. W tym samym artykule prof. Marigo zauważa: „Wiemy już teraz, że węgiel pochodził z gwiazd o masie początkowej nie mniejszej niż mniej więcej 1,5 masy słonecznej”. Współautor Pier-Emmanuel Tremblay, profesor nadzwyczajny z Uniwersytetu w Warwick, będącego gospodarzem projektu WD3D, podkreśla, że współczynnik IFMR „wyznacza również niższy limit masy dla supernowych, gigantycznych eksplozji obserwowanych z dużych odległości, które są naprawdę ważne dla zrozumienia charakteru wszechświata”. Celem trwającego obecnie projektu WD3D (Evolution of white dwarfs with 3D model atmospheres) jest „obliczenie trójwymiarowych symulacji pozostałości gwiezdnych wszystkich atmosferycznych związków chemicznych i połączenie tych obliczeń powierzchniowych z modelami struktury wewnętrznej, w których gaz zamienia się w ciecz, a następnie w ciało stałe”, jak opisano w okresowym sprawozdaniu. Projekt STARKEY (Solving the TP-AGB STAR Conundrum: a KEY to Galaxy Evolution), który również przyczynił się do realizacji tego badania, zakończył się w kwietniu 2019 roku. Więcej informacji: projekt WD3D projekt STARKEY
Słowa kluczowe
WD3D, STARKEY, węgiel, biały karzeł, Droga Mleczna, stosunek masy początkowej do masy końcowej