Překvapivý objev: Obří hvězdy tvoří nepatrný prach, který je klíčem k životu ve vesmíru
Některé hvězdy nejen září; také vyrábějí suroviny pro budoucí světy. V překvapivé nové studii vědci uvádějí, že jedna z nejmasivnějších a krátkověkých hvězd ve vesmíru produkuje prachová zrna tak malá, že se měří v pouhých miliardtinách metru.
Je úžasné vědět, že některé z nejmasivnějších hvězd ve vesmíru produkují před svou smrtí ty nejmenší prachové částice. „Rozdíl ve velikosti mezi hvězdou a prachem, který produkuje, je asi kvintilion ku jedné,“ řekl Donglin Wu, hlavní autor studie a výzkumník z Kalifornského technologického institutu.
Tento objev řeší dlouholetou záhadu konfliktních měření velikosti prachu kolem extrémních hvězd a zlepšuje naše chápání toho, jak jsou galaxie zásobovány uhlíkem, prvkem, který tvoří páteř života.
Výzkum se zaměřuje na WR 112, neobvyklý binární systém, který zahrnuje hvězdu typu Wolf-Rayet – vzácnou, intenzivně horkou hvězdu blížící se ke konci svého života. Hvězdy Wolf-Rayet jsou známé svými silnými hvězdnými větry a krátkou životností. Rychle spotřebovávají své palivo a uvolňují velké množství materiálu do vesmíru.
V systému WR 112 obíhá hvězda Wolf-Rayet kolem doprovodné hvězdy. Obě hvězdy vypouštějí vysokorychlostní proudy plynu. Tam, kde se tyto větry srazí, se plyn stlačí a zhoustne. Jak se ochlazuje, atomy se spojují a začínají se tvořit pevné částice. Takto se rodí kosmický prach v takto násilných prostředích.
Radiační tlak z hvězd pak tlačí nově vzniklý prach ven. Postupem času tento proces vytváří nápadné spirálové oblouky, které se rozšiřují pryč od binárního systému, stejně jako kosmický větrník tvarovaný hvězdnými větry.
Po celá desetiletí však astronomové čelili složitému problému. Některá pozorování podobných systémů naznačovala, že prachová zrna jsou extrémně malá. Jiná naznačovala mnohem větší zrna, kolem jedné desetiny mikrometru.
Tyto protichůdné výsledky nebylo snadné vysvětlit. Chybělo něco přístrojům? Nebo byly určité velikosti zrn v těchto drsných podmínkách ničeny?
Vidět neviditelné se dvěma výkonnými observatořemi
K vyřešení této záhady tým zkombinoval data ze dvou nejmodernějších observatoří na světě: Vesmírného dalekohledu Jamese Webba (JWST) a Atacamské velké milimetrové/submilimetrové soustavy (ALMA).
„Kombinací pozorování ALMA se snímky Vesmírného dalekohledu Jamese Webba jsme byli schopni analyzovat prostorově rozlišenou spektrální distribuci energie (SED) WR 112,“ uvádějí autoři studie.
Každý dalekohled pozoruje vesmír jiným způsobem. Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST) detekuje infračervené světlo a je obzvláště citlivý na teplý prach. Jeho středně infračervené snímky již odhalily jasné spirálové prachové struktury kolem WR 112.
ALMA, umístěná v Chile, pozoruje v milimetrových vlnových délkách. Je extrémně výkonná při detekci chladnějších a typicky větších prachových zrn. Pokud by v spirálách WR 112 byly přítomny značné množství větších zrn, ALMA by je měla jasně detekovat.
To se však nestalo. Absence silného milimetrového signálu byla kritickou stopou. Pokud ALMA nemohla vidět rozšířené spirály, které detekoval JWST, pak většina zrn musí být příliš malá na to, aby efektivně emitovala v milimetrových vlnových délkách.
Modelováním kombinovaných dat vědci zjistili, že většina zrn ve spirálách je menší než jeden mikrometr – a že většina z nich má jen několik nanometrů. Nanometr je jedna miliardtina metru.
Rozdíl ve velikosti mezi masivní hvězdou a prachem, který produkuje, je řádově kvintilion ku jedné. Zajímavé je, že analýza odhalila dvě odlišné populace zrn. Dominantní skupina se skládá z částic o velikosti nanometrů, zatímco menší frakce měří asi 0,1 mikrometru.
Tým testoval několik možných modelů velikosti zrn, aby zjistil, který nejlépe odpovídá datům. „Mezi čtyřmi parametrizacemi distribuce poloměru zrn, které jsme testovali, bimodální distribuce s hojnými zrny o velikosti nanometrů a sekundární populací zrn o velikosti 0,1 mikronu nejlépe reprodukuje pozorovanou SED,“ dodali autoři studie.
Tato dvojí struktura velikosti pomáhá sladit desetiletí protichůdných pozorování: přítomna jsou jak drobná, tak větší zrna, ale dominují ta nejmenší.
Tým také zkoumal, jak se prach chová v tak extrémním záření. Intenzivní světlo a energetické prostředí mohou zrna erodovat nebo odpařovat. Jejich zjištění naznačují, že zrna střední velikosti mohou být obzvláště zranitelná, což by mohlo vysvětlit, proč je dřívější pozorování často nedokázala konzistentně detekovat.