BLAP – Nowa Klasa Gwiazd Pulsujących

Dzięki regularnym pomiarom jasności ponad miliarda gwiazd naszej Galaktyki astronomowie z prowadzonego w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego projektu The Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) odkryli nieznaną klasę gwiazd zmiennych pulsujących. Dodatkowe obserwacje pokazały, że są to obiekty znacznie gorętsze od Słońca. Niezwykłą cechą nowoodkrytych gwiazd jest ogromna zmiana ich parametrów fizycznych zachodząca w ciągu zaledwie około pół godziny. Tak szybkich zmian nie obserwowano dotąd w przypadku żadnych innych obiektów pulsujących. Modele teoretyczne potwierdzają, że takie zachowanie jest możliwe, ale wielką zagadką pozostaje pochodzenie takich gwiazd. Odkrycie nowej klasy gwiazd pulsujących astronomowie ogłosili w prestiżowym czasopiśmie „Nature Astronomy”. Projekt OGLE jest współfinansowany przez Narodowe Centrum Nauki.

Gwiazdy pulsujące to niezwykle ważne obiekty współczesnej astrofizyki. Służą astronomom do pomiarów odległości we Wszechświecie oraz pozwalają badać ewolucję i wnętrze gwiazd.

Wydawało się, że wiemy już praktycznie wszystko o gwiazdach pulsujących, że znamy wszystkie ich rodzaje, a jednak natknęliśmy się na coś nowego, zupełnie nietypowego – wyjaśnia dr hab. Paweł Pietrukowicz, lider badań i pierwszy autor publikacji.

Rys. 1. Porównanie rozmiarów gwiazd pulsujących różnych typów. Autor: Paweł Pietrukowicz / Obserwatorium Astronomiczne UW

Wiele gwiazd, w odróżnieniu od naszego Słońca, nie jest stabilnych – pulsuje, czyli rytmicznie puchnie i kurczy się nawet o kilkanaście procent. W trakcie każdego pulsu zmienia się rozmiar gwiazdy, ale też temperatura jej powierzchni, co obserwujemy w postaci charakterystycznych regularnych zmian jasności. Zmiany o dużej amplitudzie obserwowane są u czerwonych olbrzymów, czyli gwiazd względnie chłodnych, których warstwy zewnętrzne są bardzo rozległe. Olbrzymami są powszechnie występujące we Wszechświecie gwiazdy pulsujące typu RR Lyrae oraz jaśniejsze od nich – gwiazdy typu delta Cephei (cefeidy klasyczne). Temperatury powierzchni tych gwiazd są porównywalne lub nieco wyższe niż temperatura powierzchni Słońca (~5800 K). Okresy pulsacji olbrzymów obejmują bardzo duży zakres, od kilku godzin do kilkuset dni.

Pulsują także niebieskie gorące gwiazdy, których temperatury powierzchniowe sięgają kilkudziesięciu tysięcy stopni. Wśród takich obiektów wyróżnia się zasadniczo gwiazdy typu beta Cephei oraz pulsujące podkarły. Te pierwsze są nawet tysiąc razy jaśniejsze od tych drugich, co wynika z ich znacznie większych rozmiarów. Okresy pulsacji gwiazd gorących są krótkie, od sekund do godzin, ale amplitudy małe, gdyż gwiazdy te są bardziej zwarte – ich otoczki mniej rozdęte. Dzięki obserwacjom milionów gwiazd, prowadzonym przez polski przegląd nieba OGLE, królestwo obiektów zmiennych powiększyło się o nową, zupełnie niespodziewaną klasę.

Przegląd OGLE to sztandarowy polski projekt naukowy obchodzący w tym roku jubileusz 25-lecia. Każdej pogodnej nocy, praktycznie nieprzerwanie od 1992 roku, w Obserwatorium Las Campanas na chilijskiej Pustyni Atacama wykonywane są pomiary jasności kilkuset milionów gwiazd naszej Galaktyki w celu poszukiwania różnorodnych obiektów zmieniających jasność – mówi kierownik projektu OGLE prof. Andrzej Udalski.

Odkrywane są planety pozasłoneczne, unikalne zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego, wybuchające gwiazdy nowe i supernowe oraz wszelkie obiekty zmieniające blask, w tym zachowujące się periodycznie, tak jak gwiazdy pulsujące. Astronomowie z projektu OGLE znaleźli i sklasyfikowali dotychczas około milion zmiennych okresowych, z czego prawie połowa to najróżnorodniejsze typy gwiazd pulsujących. To największa kolekcja w dziejach całej astronomii światowej.

Odkrycie nowej klasy gwiazd pulsujących było niezwykłą przygodą, która rozpoczęła się w 2013 roku. Wówczas – ku naszemu zaskoczeniu – zauważyliśmy pierwszy taki zagadkowy obiekt – wspomina dr Pietrukowicz.

Okazało się zupełną niespodzianką, że obiekt ten i kolejne kilkanaście znalezionych później, wykazywały duże, kilkudziesięcioprocentowe zmiany jasności w bardzo krótkim okresie zaledwie około pół godziny. Tak dużych zmian jasności w tak krótkiej skali czasowej dotychczas nie obserwowano. Aby odkryć przyczyny tej zmienności, przeprowadzono szereg dodatkowych obserwacji przy użyciu największych teleskopów świata. Pokazały one, że nowoodkryte obiekty mają temperaturę aż 30 tysięcy stopni, a przyczyną zmienności są pulsacje. Na tej podstawie opracowano model gwiazdy. Okazuje się, że jest on zbliżony do modeli gwiazd olbrzymów – 96% masy jest skupione w jądrze o wielkości zaledwie 20% promienia całej gwiazdy. Reszta to lekka rozdęta otoczka, która pulsuje w szybkim rytmie – stąd duże amplitudy zmian blasku. Na podstawie obserwowanych własności została zaproponowana nazwa dla nowej klasy gwiazd: BLAP, jako skrót od angielskiego określenia Blue Large-Amplitude Pulsators.

O ile teoria wyjaśnia, jak zbudowane są BLAPy, o tyle zupełnie nie wiadomo jak obiekty te powstały. Gwiazdy te musiały bowiem w pewnym etapie życia stracić dużą część masy, aby mogły być tak gorące, jak je obecnie widzimy.

Z całą pewnością do takiej konfiguracji nie mogło dojść na drodze ewolucji samotnej gwiazdy. Chyba, że taka gwiazda przemknęła kiedyś w sąsiedztwie supermasywnej czarnej dziury rezydującej w Centrum Galaktyki. Wówczas czarna dziura zdarła z niej zewnętrzną otoczkę. – sugeruje prof. Wojciech Dziembowski, astrofizyk teoretyk i drugi autor pracy w Nature Astronomy.

Taka możliwość jest jednak dość mało prawdopodobna. Innym, bardziej realnym pomysłem jest interpretacja BLAPów jako wyniku połączenia się dwóch gwiazd o małych masach. Przyszłe obserwacje tych wyjątkowych obiektów powinny ułatwić rozwiązanie tej zagadki – dodaje dr hab. Paweł Pietrukowicz.

Praca opisująca odkrycie nowej klasy gwiazd zmiennych pulsujących BLAP została opublikowana w miesięczniku naukowym Nature Astronomy: „Blue large-amplitude pulsators as a new class of variable stars”, Paweł Pietrukowicz, Wojciech A. Dziembowski, Marilyn Latour, Rodolfo Angeloni, Radosław Poleski, Francesco di Mille, Igor Soszyński, Andrzej Udalski, Michał K. Szymański, Łukasz Wyrzykowski, Szymon Kozłowski, Jan Skowron, Dorota Skowron, Przemek Mróz, Michał Pawlak & Krzysztof Ulaczyk 2017, Nature Astronomy, 1, 0166 (doi: 10.1038/s41550-017-0166).

Projekt OGLE, w ramach którego dokonano odkrycia, jest współfinansowany przez Narodowe Centrum Nauki w konkursach MAESTRO, OPUS, HARMONIA i SYMFONIA.