Następnym razem, gdy będziesz dziękować swoim szczęśliwym gwiazdom, może zechcesz pobłogosławić gwiazdy podwójne. Nowe obliczenia wskazują, że masywna gwiazda, której zewnętrzna warstwa zostaje zdarta przez gwiazdę towarzyszącą, kończy się zrzuceniem o wiele więcej węgla, niż gdyby gwiazda urodziła się samotnie.
„Ta gwiazda produkuje około dwa razy więcej węgla niż pojedyncza gwiazda” – mówi Rob Farmer, astrofizyk z Max Planck Institute for Astrophysics w Garching w Niemczech.
Całe życie na Ziemi opiera się na węglu, czwartym najobficiej występującym pierwiastku w kosmosie, po wodorze, helu i tlenie. Jak prawie każdy pierwiastek chemiczny cięższy od helu, węgiel powstaje w gwiazdach (SN: 2/12/21). Dla wielu pierwiastków astronomowie byli w stanie określić ich główne źródło. Na przykład tlen pochodzi prawie w całości z masywnych gwiazd, z których większość wybucha, podczas gdy azot powstaje głównie w gwiazdach o niższej masie, które nie wybuchają. Z kolei węgiel powstaje zarówno w gwiazdach masywnych, jak i tych o niższej masie. Astronomowie chcieliby wiedzieć dokładnie, które typy gwiazd wykuwają lwią część tego ważnego pierwiastka.
Farmer i jego współpracownicy przyjrzeli się szczególnie masywnym gwiazdom, które są co najmniej osiem razy cięższe od Słońca i obliczyli, jak zachowują się one z partnerami i bez nich. Reakcje jądrowe w jądrze masywnej gwiazdy najpierw zmieniają wodór w hel. Kiedy w jądrze zabraknie wodoru, gwiazda rozszerza się i wkrótce zaczyna przekształcać hel w węgiel.
Ale masywne gwiazdy zazwyczaj mają gwiazdy towarzyszące, co dodaje zwrot do fabuły: Kiedy gwiazda rozszerza się, grawitacja towarzysza może oderwać zewnętrzną otoczkę większej gwiazdy, odsłaniając helowe jądro. To pozwala świeżo wybijanemu węglowi na strumień w przestrzeń poprzez przepływ cząsteczek.
„W tych bardzo masywnych gwiazdach wiatry te są dość silne” – mówi Farmer. Na przykład, obliczenia jego zespołu wskazują, że wiatr gwiazdy urodzonej 40 razy masywniejszej od Słońca z bliskim towarzyszem wyrzuca 1,1 masy słonecznej węgla przed śmiercią. Dla porównania, pojedyncza gwiazda urodzona z taką samą masą wyrzuca zaledwie 0,2 masy słonecznej węgla, donoszą naukowcy w pracy złożonej na arXiv.org 8 października i opublikowanej w Astrophysical Journal.
Jeśli masywna gwiazda następnie eksploduje, to również może przewyższyć supernowe z pojedynczej masywnej gwiazdy. Dzieje się tak dlatego, że gdy gwiazda towarzysząca usuwa otoczkę gwiazdy masywnej, jądro helowe kurczy się. Skurczenie to pozostawia część węgla poza jądrem. W rezultacie reakcje jądrowe nie mogą przekształcić węgla w cięższe pierwiastki, takie jak tlen, pozostawiając więcej węgla do wyrzucenia w przestrzeń w wyniku eksplozji. Gdyby gwiazda była pojedyncza, jądro zniszczyłoby wiele z tego węgla.
Analizując wyniki badań masywnych gwiazd o różnych masach, zespół Farmera doszedł do wniosku, że przeciętna masywna gwiazda w układzie podwójnym wyrzuca od 1,4 do 2,6 razy więcej węgla poprzez wiatry i wybuchy supernowych niż przeciętna masywna gwiazda w układzie pojedynczym.
Biorąc pod uwagę jak wiele masywnych gwiazd znajduje się w układach podwójnych, astronom Stan Woosley mówi, że podkreślanie ewolucji gwiazd podwójnych, tak jak zrobili to badacze, jest pomocne w ustaleniu pochodzenia kluczowego pierwiastka. Ale „myślę, że wysuwają zbyt mocne roszczenia w oparciu o modele, które mogą być wrażliwe na niepewną fizykę”, mówi Woosley z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz. W szczególności, mówi on, że współczynniki utraty masy dla masywnych gwiazd nie są znane na tyle dobrze, by stwierdzić istnienie specyficznej różnicy w produkcji węgla pomiędzy gwiazdami pojedynczymi i podwójnymi.