25 listopada 2020 w naszej galaktyce rozbłysnęła „gwiazda nowa”, a razem z nią eksplodował internetowy półświatek astronomów-amatorów. Wokół Nowej w Perseuszu zaczęły narastać przeróżne legendy, dlatego w tym miejscu pragnę opisać, czym jest trwające obecnie wydarzenie nazwane roboczo: „nową wsteczną hybrydową”. Uwaga – ten tekst powstaje 30 listopada, badania wciąż trwają, a sytuacja związana z opisywanym obiektem zmienia się dość dynamicznie.
Czym jest Nowa Persei 2020?
Zacząć należy od tego, co już wiemy. Domysły zostawimy sobie na później. Pewnym jest, że pod koniec 25 listopada zaobserwowano pojawienie się bardzo jasnego obiektu w miejscu, gdzie na niebie taki się wcześniej nie znajdował. Wkrótce po zawiadomieniu o odkryciu, obiekt został wstępnie zbadany spektroskopowo. Mówiąc profesjonalnie, zbadano kompozycję jego widma. Mówiąc mniej profesjonalnie, rozbito jego światło na „tęczę” i sprawdzono chemiczny odcisk palca, jaki zostawiają w tej tęczy pierwiastki chemiczne, będące jakoś związane z obserwowanym obiektem. Ta wstępna analiza pozwoliła stwierdzić, że obiekt jest tzw. „nową klasyczną”.
Czym są gwiazdy nowe?
Technicznie rzecz biorąc „nowe” to nie są gwiazdy sensu stricte, tylko wydarzenia mające źródło w specyficznych układach podwójnych gwiazd, zwanych układami kataklizmicznymi. Mamy do czynienia z układem dwóch gwiazd orbitujących wzajemnie wokół siebie po bardzo ciasnych orbitach. Gwiazdy te są bardzo blisko siebie. Jedną z nich jest biały karzeł, a drugą jest jakaś chłodna, bogu ducha winna gwiazda, na której biały karzeł obecnie żeruje. Nazwijmy tę drugą gwiazdę „czerwonym karłem”. Ze względu na bliskość obydwu gwiazd oraz względnie silne oddziaływanie grawitacyjne, materia z wierzchnich warstw czerwonego karła jest ściągana niczym skórka z obieranego jabłka, a następnie kierowana jest w stronę białego karła. Ponieważ jednak cały układ się kręci, materia nie trafia bezpośrednio w nieumarłą gwiazdę, ale tworzy wokół niej dysk, zwany dyskiem akrecyjnym. To dopiero z tego dysku materia jest przekazywana na wampirzego białego karła. Jeżeli prędkość przekazywania tej materii jest odpowiednia, to na powierzchni białego karła może dojść do katastroficznego wydarzenia: nastąpi wskrzeszenie reakcji termojądrowych, w których wodór zacznie być bardzo gwałtownie zamieniany w hel. Reakcja fuzji jest ekstremalnie wydajna energetycznie, więc zaczyna się wszystko podgrzewać, fuzja się propaguje po powierzchni białego karła, a ta staje się przez to wybitnie jasna. Pojaśnienie jest bardzo gwałtowne i może sięgać od kilku do nawet kilkunastu magnitudo w skali godzin. To bardzo dużo. Jest to inicjacja wydarzenia zwanego „nową”, które dla obserwatora na Ziemi wiąże się z pojawieniem się jakiegoś nowego, względnie jasnego punkciku na niebie. Nowa różni się od supernowej fizycznie tym, że w trakcie nowej wszystkie reakcje termojądrowe mają miejsce wyłącznie na powierzchni białego karła, podczas gdy supernowa (a przynajmniej ta typu Ia) oznacza zaistnienie fuzji wewnątrz białego karła, co stanowić będzie o końcu jego istnienia. Tak jest: „nowa” oznacza, że biały karzeł przetrwał i ma się dobrze. Co będzie dalej po rozbłysku, zależy od typu nowej.
Dwa podstawowe typy nowych.
Nowe od dawien dawna wydawały się dzielić na dwa rodzaje, które różniły się swoim widmem (chemicznym odciskiem palca w tęczy obiektu, uzyskiwanym za pomocą spektroskopu). Bez owijania w bawełnę, w jednym typie dominują linie widmowe wodoru, helu i azotu, a w drugim typie widać raczej linie zjonizowanego żelaza i nieco węgla, azotu i tlenu. Żeby było prościej, pierwszy typ nazywa się He/N (hel + azot), a drugi FeII (zjonizowane żelazo). W ogólności można powiedzieć, że pierwszy typ będzie miał miejsce wtedy, gdy dominującym czynnikiem świecenia będzie komponent pochodzący od samego białego karła. W również wielkim uogólnieniu można stwierdzić, że typ drugi oznacza bardzo duży wkład od gwiazdy towarzyszącej, tj. od czerwonego karła, którego wierzchnie warstwy zostały mocno rozdmuchane w wyniku rewolucji mającej miejsce na powierzchni pobliskiego białego karła. Astronomowie lubią używać tu sformułowania: „optycznie gruby” gaz, co po ludzku oznacza, że gaz jest nieprzezroczysty.
W tym miejscu należy wspomnieć o dość ważnym detalu związanym z geometrią układu podwójnego w trakcie trwania nowej. Przez fakt wznowienia reakcji termojądrowych na powierzchni białego karła następuje gwałtowna ekspansja jego nowej efektywnej fotosfery (tj. powierzchni świecącej). Ma to miejsce na wskutek zaistnienia ekstremalnie silnego wiatru gwiazdowego rozwiewającego nową fotosferyczną otoczkę. Nowa powierzchnia fotosferyczna rozszerza się do średnicy przewyższającej rozmiary oryginalnego układu podwójnego, „zjadając” niejako towarzyszącą białemu karłowi chłodną gwiazdę. Nie ma co się martwić. Czerwone karły to wytrwałe obiekty. Gwiazda zostanie mocno poturbowana, ale przeżyje. Część jej zewnętrznej materii zostanie jednak zjonizowana i rozwiana, co dla obserwatora na Ziemi będzie widoczne jako obecność żelaza w widmie „nowej”. Voila, mamy nową typu drugiego, FeII. Oczywiście nowa typu pierwszego nie oznacza, że towarzysz nie został poturbowany. Na potrzebę chwili można napisać, że „został, ale mniej”. Przy okazji: czy czytelnik pamięta jeszcze o dysku akrecyjnym wokół białego karła? Ten już nie istnieje. Został rozwiany równie skutecznie jak wątpliwości o jego losie.
Co się dzieje po pierwszej fazie rozbłysku nowej?
Nowe jaśnieją ekstremalnie szybko do pewnego poziomu, po czym przez następnych kilka godzin lub dni wciąż jaśnieją, ale już wolniej. Skale czasowe jaśnienia są przeróżne i w sumie jedyne co można powiedzieć ogólnikowo, to fakt, że im szybciej zmienia się jasność nowej, tym ta zmiana będzie większa. Rekordzistki jaśniały nawet o 18 lub 19 magnitudo, licząc od poziomu-sprzed-nowej. Istnieją nowe, które osiągają maksimum jasności w skali godzin po wstępnym rozbłysku, ale są i takie nowe, które potrzebują na osiągnięcie maksimum kilku dni mozolnego, powolnego wzrostu jasności. W okolicy maksimum może wydarzyć się seria mikro-rozbłysków, które w skali jednego dnia zwiększają jasność obiektu o nawet dwa magnitudo. Taki mikro-rozbłysk trwa krótko i może się powtarzać. Po osiągnięciu maksimum blasku nowe szybciej lub wolniej tracą jasność. Skala czasowa waha się od dni do nawet pół roku (tu tzw. nowe powolne). Jakby tego było mało, nowym typu FeII zdarza się pojaśnieć po raz wtóry i osiągają wtedy tzw. „maksimum wtórne”. Takie pojaśnienie możne być dość pokaźne, ale nigdy jeszcze nie zaobserwowano, by zbliżyło się do poziomu maksimum głównego bardziej niż dwa magnitudo. Historia zna przypadki nowych, które miały nawet wielokrotne pojaśnienia w trakcie jednego rozbłysku nowej.
Koniec końców, nowe ciemnieją przechodząc do tzw. „etapu mgławicowego” („fazy mgławicowej”, „fazy mgławicy planetarnej”, jak zwał tak zwał). Wtedy to widmo nowej zaczyna być dominowane przez ślady pierwiastków typowe dla pozostałości po rozbłysku. Nowa zamiera, a wokół niej roztacza się ekspandujący obłok materii wyrzuconej z układu. W samym układzie podwójnym dochodzi do uspokojenia się reakcji termojądrowych, czerwony karzeł otrzepuje się z kurzu, a wokół białego karła, który już się wyszalał, odbudowuje się dysk akrecyjny. Jeśli biały karzeł ma silne pole magnetyczne, to przez jakiś czas w widmie układu widać sygnatury związane z przekazywaniem materii na białego karła nie przez dysk, ale przez kolumny akrecyjne, w których materia jest prowadzona na białego karła wzdłuż linii pola magnetycznego. Opowiadać o tym można w nieskończoność, więc przerywam w tym miejscu i wracam do meritum artykułu.
Nowe hybrydowe.
Jak się okazuje, około 5% ze wszystkich obserwowanych do tej pory nowych wykazuje tendencje do zmieniania się z jednego typu w drugi. Co ważne, zmiana ta następuje w trakcie jednego i tego samego rozbłysku nowej. Nie wspomniałem o tym wcześniej, ale „nowe” mogą być zjawiskiem powtarzalnym dla danego układu – mowa wtedy o „nowych rekurentnych” lub „nowych powracających”. Mała dygresja: mówi się, że prawdopodobnie wszystkie „nowe” to „nowe rekurentne”, tyle że historia naszych obserwacji jest zbyt krótka. Nic bowiem nie stoi na przeszkodzie, by „nowa” następowała nie co 20 lub 60 lat (typowe dla znanych nowych powracających), ale co 30 000 lat. Koniec dygresji. Nowe hybrydowe znane są z tego, że zmieniają się z typu FeII na typ He/N. Czyli najpierw widać dominujący wkład „optycznie grubej”, rozwianej materii od gwiazdy-towarzysza, a potem materia od samego białego karła przejmuje pałeczkę. Ostatnie lata przyniosły ze sobą nawał danych obserwacyjnych, przez co liczba nowych hybrydowych zaczyna znacząco rosnąć. Wraz ze wzrostem liczby obserwowanych obiektów spływają też wiadomości o niesfornych nowych, które zachowują się dokładnie na odwrót, niż wskazują dotychczasowe dane. Nowych, które wykazują tendencje hybrydowe, ale zmieniają się z typu He/N na typ FeII. Czyli są hybrydami, ale… wstecz.
Nowe wsteczne hybrydowe.
Dane obserwacyjne są następujące: Jeśli jakaś nowa w maksimum blasku jest typu FeII, to w krótkim czasie może zmienić typ na He/N. Ot, zwykła nowa hybrydowa. Jeśli jednak w maksimum blasku nowa jest typu He/N, to pozostanie już typu He/N aż do momentu wejścia w etap mgławicowy, czyli do samego końca najjaśniejszej fazy nowej. Gdzie zatem miejsce na nowe, które ewoluują z typu He/N do typu FeII? Przecież takie zachowanie zaobserwowano w przypadku nowej rekurentnej T Pyx oraz nowej klasycznej V5558 Sgr. Sęk w tym, że te obiekty zaczęto obserwować wybitnie szybko. W ciągu jednej doby od zaobserwowania wstępnego rozbłysku, a jeszcze przed osiągnięciem maksimum blasku, te obiekty miały już wykonane bardzo precyzyjne obserwacje spektroskopowe. To wtedy właśnie te obiekty posiadały znamiona typu He/N, by potem, w okolicy maksimum blasku, zmienić się w typ FeII. Oto pierwsze znane przypadki nowych, które są hybrydami w odwrotny sposób. Nasza bohaterka, Nowa w Perseuszu, której rozbłysk trwa właśnie w tej chwili, też została przebadana wybitnie szybko: jej pierwsze widma były dostępne już w ciągu godzin po zaalarmowaniu o wstępnym rozbłysku. Nasza N Per 2020 też w tej chwili jest w okolicy swojego maksimum blasku i już zdążyła zmienić swój typ z He/N na FeII. Jest więc całkiem prawdopodobne, że „nowe wsteczne hybrydowe” nie są ewenementem, a ich brak w dotychczasowych zapiskach obserwacyjnych bierze się stąd, że do tej pory mieliśmy za mało obserwacji wykonanych tuż po wstępnym rozbłysku nowych. Na usprawiedliwienie trzeba jednak dodać, że takie obserwacje są dość trudne do wykonania, bo trzeba bardzo szybko reagować, trzeba mieć pod ręką dobrej klasy instrument, który akurat jest do dyspozycji oraz obserwowany obiekt musi być wystarczająco jasny. Na szczęście wszystkie te warunki zostały spełnione w przypadku N Per 2020.
Czy Nowa w Perseuszu 2020 będzie widoczna gołym okiem?
Na moje: nie. Sprawdziłem w katalogach, że w miejscu obecnej nowej znajdowała się „gwiazda” o jasności około 20 magnitudo, więc czysto teoretycznie, gdyby to była ekstremalna nowa, mogłaby być widoczna nawet tak jak gwiazdy Wielkiego Wozu. Tak jednak raczej nie będzie, a N Per 2020 wygląda na całkiem przeciętną nową. Pojawiają się co prawda pojedyncze raporty w AAVSO o jej ciągłym jaśnieniu, ale należy je brać z przymrużeniem oka. W tej chwili oficjalne źródła mówią, że nasza nowa już raczej osiągnęła maksimum, a teraz ma około 8,5 magnitudo w świetle widzialnym. Aby ją dostrzec gołym okiem, musiałaby być co najmniej o dwa magnitudo jaśniejsza, a obserwator musiałby być pod bardzo ciemnym niebem.
Jak właściwie wygląda przejście między typami nowej?
Bardzo dobre pytanie! Odpowiedź ciągnie za sobą masę technikaliów, dlatego zwrócę uwagę czytelnika na jedną, dla mnie fenomenalną i niesłychanie fajną rzecz. Jest to tak zwany „profil P Cygni”. P Cygni jest gwiazdą, która przez jakiś czas nazywana byłą „nową permanentną”. Jest ona źródłem bardzo silnego i gęstego wiatru gwiazdowego, do złudzenia przypominającego ten sam wiatr, który napędza powstawanie nowej powierzchni fotosferycznej w początkowych fazach rozbłysku nowych. Taka „optycznie gruba” otoczka wiatru tworzy stale rozszerzający się bąbel półprzezroczystej, szybko poruszającej się, jasnej materii wokół gwiazdy. Otoczka ta na tyle szybko się porusza we wszystkich kierunkach, że jej światło ulega przesunięciu w efekcie Dopplera jednocześnie w stronę niebieską i w stronę czerwoną. Co więcej, obserwator korzystający ze spektroskopu widzi w widmie P Cygni światło wysyłane przez wszystkie części otoczki oraz przez samą gwiazdę. W efekcie, w widmie obecne są sygnatury pierwiastków chemicznych (linie spektralne), które są jednocześnie ujemne (linie absorpcyjne, od pochłaniania światła gwiazdy przez otoczkę) oraz dodatnie (linie emisyjne, przez świecenie samej otoczki). Najciekawsze jest to, że część pochłaniająca pochodzi wyłącznie od otoczki, która leci w kierunku obserwatora. To znaczy, że część absorpcyjna jest jako jedyna dopplerowsko przesunięta ku krótszym, niebieskim falom. W widmie obecne są zatem linie spektralne, które są jednocześnie dołkami (po ich niebieskiej stronie) i górkami (po ich stronie czerwonej).
Taki kształt linii widmowych nazywany jest „profilami P Cygni”. To właśnie takie kształty mają linie widmowe w nowych typu FeII. Nasza bohaterka, Nowa w Perseuszu 2020 jest obserwowana od jej najmłodszych chwil i zaobserwowano płynną ewolucję jej linii widmowych z „samych górek” do „górek poprzedzonych dołkami”. Mówiąc językiem nieco bardziej profesjonalnym, zaobserwowana została ewolucja w kierunku profili P Cygni zanim nowa osiągnęła maksimum blasku. To jest ostateczny dowód na wsteczną hybrydowość obiektu N Per 2020.
Co dalej?
Jeździć, obserwować. Zobaczymy co nam nowego ta nowa przyniesie. W końcu rozbłysk wciąż trwa i dopiero doszedł do maksimum.
Przydatne linki do źródeł:
- http://www.astronomerstelegram.org/?read=14224
- http://www.astronomerstelegram.org/?read=14229
- http://www.astronomerstelegram.org/?read=14230
- http://www.cbat.eps.harvard.edu/unconf/followups/J04291884+4354232.html
- http://www.spectro-aras.com/forum/viewtopic.php?f=36&t=2674
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1384107610000382
- https://academic.oup.com/mnras/article/447/1/806/992357
- https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-6256/144/4/98
- https://www.aavso.org/aavso-alert-notice-726
Bartłomiej Dębski
„wodór zacznie być bardzo gwałtownie zamieniany w hel” – wydaje mi się, że zupełnie odwrotnie. Pierwiastki lżejsze łącząc się uwalniają energie, pozostałością są pierwiastki cięższe.
Nowa rekurentna to kalka z angielskiego. W astronomii używa się po prostu pojęcia nowa powrotna.