Масивні зорі рідко бувають самотніми: більшість із них народжується в подвійних системах, де можлива інтенсивна передача маси від одного компонента до іншого. Двоє дослідників із інститутів Макса Планка запропонували новий спосіб розпізнати такі зорі-«масоотримувачі» за їхньою поверхневою хімією, навіть якщо колишній компаньйон уже зник. Про це розповідає матеріал Universe Today.
Передача маси і прихована історія зірок
Коли зорі старіють, вони розширюються, тож у тісних подвійних системах зіткнення оболонок і перетікання речовини фактично неминучі. За оцінками, близько 70% масивних зірок мають компаньйона настільки близько, що передача маси має відбутися.
Наслідки цих взаємодій радикальні: зорі можуть зливатися, змінювати спосіб свого вибуху як наднові чи взагалі перетворюватися на інший тип об’єктів. Водночас більшість продуктів таких взаємодій пізніше виглядають як звичайні самотні зорі — прямі сліди минулої «драми» зникають.
Проблема в тому, що сама передача маси триває дуже недовго — менш ніж 0,1% життя зорі, тож шанс застати її безпосередньо мізерний. Гідродинамічні моделі таких процесів також вкрай складні та потребують великого часу обчислень.
Хімічні «відбитки пальців» на поверхні
Харім Джін (Harim Jin) з Інституту астрофізики Макса Планка і Норберт Лангер (Norbert Langer) з Інституту радіоастрономії Макса Планка описали свою методику в статті «Chemical fingerprints of binary mass transfer in massive stars» у журналі Nature Astronomy.
Ключ до розпізнавання «масоотримувачів» — у хімічному складі їхньої поверхні. Важливим виявився не загальний вміст металів, а саме співвідношення деяких елементів у зовнішніх шарах, насамперед гелію, вуглецю, азоту й кисню (CNO).
Усередині зорі склад відрізняється від поверхневого: ядро, де триває термоядерний синтез, збагачене азотом і гелієм та збіднене на вуглець і кисень, тоді як зовнішні шари залишаються більш «первісними». Якщо ж зоря отримує матерію від компаньйона, вона захоплює як поверхневі шари донора, так і речовину з його глибших, перероблених областей.
Ця суміш накопичується в оболонці зорі-акретора і залишається доступною для спостережень. Аналізуючи докладні моделі еволюції масивних подвійних систем, дослідники виявили, що зорі, які набрали масу, займають окрему область на діаграмі CNO — графіку, де відкладають співвідношення азоту до вуглецю та азоту до кисню.
На такій діаграмі «масоотримувачі» чітко відділяються від донорів і справді самотніх зір. Це й є їхній хімічний «відбиток пальця».
Розкриття таємниці зорі гамма Голуба
Щоб показати практичну силу методу, команда розглянула добре відому зорю гамма Голуба (γ Columbae), розташовану приблизно за 1050 світлових років від нас. Вона має близько шести сонячних мас і вік орієнтовно 24 мільйони років.
Раніше астрономи вважали, що γ Columbae — це оголене ядро зорі, з якої зірвано зовнішню оболонку. Новий аналіз поверхневих CNO-співвідношень показав інше: ця зоря є саме масоотримувачем у минулій подвійній системі.
Її поверхнева хімія демонструє високе співвідношення азоту до вуглецю, помірне співвідношення азоту до кисню та збагачення гелієм — точні риси, які, за моделями Джіна й Лангера, мають з’являтися після акреції переробленої речовини з ядра донора.
Дослідники оцінюють, що близько 17% оболонки γ Columbae складається зі «зірваної» матерії. За цим хімічним відбитком виходить, що зоря повинна була набрати приблизно 0,8 сонячної маси, тож початкова маса акретора не могла перевищувати 5,2 сонячної маси.
З іншого боку, щоб віддати таку кількість речовини зі своєї зони градієнта H/He — перехідного шару між воднево-збідненим гелієвим ядром і зовнішньою водневою оболонкою, — зоря-донор мала бути істотно масивнішою. За моделями, її маса не могла бути меншою за 14 сонячних мас і, ймовірно, вона завершила життя як наднова зі «зірваною оболонкою».
Вікно у приховане життя масивних зірок
Новий підхід дає змогу не лише впізнавати зорі-акретори, а й реконструювати історію всієї системи: оцінювати кількість набутої маси, її склад, а також початкові маси обох компонентів і ефективність самої акреції.
Автори застосували цей метод і до інших типів масивних об’єктів — надгігантів, «втікачів» та наднових. Зокрема, вони розглянули добре вивчену наднову SN 1987A у Великій Магеллановій Хмарі, яку давно підозрюють у походженні від злиття зір.
За словами Лангера, отримані результати дозволяють упевненіше відтворити маси обох зір до злиття та показати, що під час цього процесу значна частина речовини була викинута.
Розуміння передачі маси в масивних подвійних системах впливає на загальну картину еволюції зір і галактик, адже саме такі зорі визначають енергетичний і хімічний «зворотний зв’язок» у міжзоряному середовищі.
Найближчими роками великі огляди неба WEAVE і 4MOST отримають точні дані для тисяч масивних зір. Застосування хімічного методу Джіна й Лангера до цих спостережень може суттєво змінити наше уявлення про те, як прихована передача маси формує життєвий шлях зір та еволюцію галактик.