Cefeidy, jak one pulsują

Wielkie dzięki dla dr Ewy Pawelec za wyłapanie karygodnego błędu w notce :)

Jeśli dwie gwiazdy na niebie wyglądają podobnie, to wcale nie oznacza, że są podobne. Jedna z nich może być znacznie mniejsza i ciemniejsza, przez to że znajduje się bliżej, wydaje się być podobna. Choć można powiedzieć, że gwiazdy to po prostu kule gazu płonącego nuklearnym ogniem, to są zdumiewająco różnorodne. Ocenianie ich odległości to nie lada wyzwanie.

Współcześnie istnieje cały szereg metod wyznaczania względnych i bezwzględnych odległości gwiazd. Dzięki temu astronomowie mogą sprawdzać swoje oszacowania, podnosić ich dokładność i lepiej rozumieć dynamikę wszechświata. Podstawowym narzędziem, które wpierw umożliwiło określenie gwiezdnych odległości były tak zwane “standardowe świece”.

Standardowa świeca to obiekt o określonej i dobrze znanej jasności absolutnej. Wyobraźmy sobie, że mamy garść identycznych żarówek. Wiedząc ile światła emituje jedna żarówka możemy obliczyć jej odległość na podstawie obserwowanej jasności. Żarówka oddalona o metr będzie się nam wydawała cztery razy jaśniejsza od żarówki oddalonej o dwa metry. I szesnaście razy jaśniejsza od żarówki oddalonej o cztery metry.

Tylko czy wszechświat posiada takie standardowe żarówki? Jak się okazuje - tak. I to nawet kilka rodzajów. Dziś przyjrzymy się jednemu - gwiazdom zwanym cefeidami. To gwiazdy, o masie pięć do dwudziestokrotnie większej od naszego Słońca. Jednocześnie są one od tysiąca do pięćdziesieciu tysięcy razy jaśniejsze od naszej gwiazdy.

To co jednak kluczowe w ich przypadku, to że pulsują one w regularnych odstępach czasu. To znaczy że ich jasność maleje i rośnie na przestrzeni godzin lub dni. Henrietta Leavitt, która skatalogowała tysiące gwiazd, zaobserwowała, że okres pulsowania jest mocno skorelowany z jasnością. To znaczy, że najjaśniejsze cefeidy pulsowały najwolniej.

Dzięki temu jej odkryciu astronomowie mogli, gdy tylko zmierzyli okres pulsacji, wyznaczyć absolutną jasność danej cefeidy (ile watów ma żarówka). Następnie porównując obserwowaną jasność z wyznaczoną mogli obliczyć jak daleko od Ziemi znajduje się dana cefeida. Et voilà! Tylko… dlaczego one w ogóle pulsują?

Cefeidy mają masę od pięciu do dwudziestokrotnie większą od Słońca. Co za tym idzie są od 1000 do 50 000 razy jaśniejsze od naszej gwiazdy. Bodaj najsłynniejszą cefeidą jest Gwiazda Polarna znajdująca się w gwiazdozbiorze Małej Niedźwiedzicy .

Kluczowy dla pulsacji cefeid jest hel. Są wielkie i ciężkie, więc temperatura i ciśnienie w ich wnętrzu jest również ogromne. W głębi tych gwiazd panuje tak wielka energia, że atomy helu zostają zjonizowane. Na atom helu składa się jądro, gdzie znajdują się dwa neutrony i dwa protony, oraz okrążające je dwa elektrony. W odpowiednio gorących warunkach panuje wystarczająca energia, by wyrwać elektron z orbity atomu helu. Zjonizowany Hel oznaczamy jako He⁺.

Hel w gwiazdach jest bardzo gorący, ale He⁺ jest jeszcze gorętszy. Jednocześnie He⁺ mocniej absorbuje światło, czyli jest mniej przezroczysty. A to znaczy, że nie dość, że jest cieplejszym wariantem helu, to jeszcze dodatkowo mocniej się nagrzewa.

W związku z tym wyobraźmy sobie, że mamy “ciemniejszą” cefeidę (cudzysłów bo i tak nie chcielibyście być w pobliżu). W jej zewnętrznych warstwach znajduje się dużo zjonizowanego helu, który nie przepuszcza zbyt wiele światła. He⁺ absorbuje światło i podgrzewa się. Podgrzewa się a zatem gwiazda puchnie, rozszerza się niczym balonik.

Skoro się rozszerza, to plazma staje się chłodniejsza. He⁺ zaczynają wyłapywać szalejące swobodnie elektrony. Zjonizowany hel staje się helem. A ten jak już wiemy przepuszcza światło. Cefeida jest jest już wielka a do tego robi się jeszcze jaśniejsza. Hel nie nagrzewa się tak bardzo i jako chłodniejszy opada sobie w głąb gwiazdy jak niczym chłodne powietrze.

W związku z tym gwiazda znów się zmniejsza. Hel bliżej jądra, gdzie panuje wyższa temperatura, jonizuje się. Wkrótce raz jeszcze mamy do czynienia z mniejszą gwiazdą, która jest ciemniejsza, bo w zewnętrznej warstwie zaczyna dominować He⁺.

… A przynajmniej taka jest ogólnie uznana teoria. Proces jest bardzo regularny. To jest w przypadku klasycznych Cefeid, są inne gwiazdy, które również pulsują, ale nie robią tego tak bardzo regularnie. Istnieją różne rodzaje i okresy pulsacji. Nawiasem mówiąc nasze Słońce też pulsuje, ale zajmuje to 11 lat i zmienia jasność o 0,1%. Głośny niedawno przypadek Betelgezy, starej gwiazdy która pociemniała o ponad 60% również może wyglądać z nałożenia na siebie kilku różnych okresów pulsacji.

Notka powstała po tym jak świat obiegła wieść o gwieździe, która pulsuje tylko z jednej strony. HD74423 jest niecałe dwa razy masywniejsza od Słońca. Ma kształt łezki, a to za sprawą kompana, niewielkiego czerwonego karła. Astronomowie odkryli, że tylko jedna jej strona ulega pulsacji. Co ciekawe obecne obserwacje nie pozwalają jeszcze stwierdzić, czy pulsuje strona zwrócona do czerwonego karła czy przeciwna. Z powodu niedosytu wyjaśnień postanowiłem napisać o zwykłych cefeidach, które rozumiemy zdecydowanie lepiej.


Źródło:
We Found A Strange New Star That Pulsates Only On One Side
Odkryto nowy rodzaj pulsującej gwiazdy
Tidally Trapped Pulsations in a close binary star system discovered by TESS
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1206/1206.4282.pdf


Podoba Ci się to co robię? Wpłyń na rozwój strony i zostań patronem Węglowego.