Astronomům se poprvé podařilo zachytit rané fáze hvězdné exploze s bezprecedentní přesností. Pomocí sítě teleskopů CHARA rozložili světlo novy na trojrozměrnou mapu výtrysků – a odhalili, že hvězdná smrt je mnohem dynamičtější, než jsme si dosud mysleli.
Je to vesmírná loterie. V naší galaxii, Mléčné dráze, každých několik desetiletí umírá hvězda a vzniká supernova: poměr je jedna za 30 až 50 let. Ne všechny jsou však ze Země viditelné, protože jsou „vypáleny“ v oblastech skrytých mezihvězdným prachem nebo na opačné straně galaktického disku. Pokud nám zůstanou jen ty potenciálně viditelné pouhým okem, máme štěstí, že jsme svědky jedné za 500 let.
A přesto, i když je exploze viditelná, téměř vždy přijdeme pozdě: záblesk spatříme až poté, co se to nejzajímavější již stalo. Počátek výbuchu, první dny, kdy se plyn rozpíná, sráží se sám se sebou a přeskupuje se, zůstával dosud mimo dosah. Pro moderní astronomii je zachycení tohoto počátečního okamžiku jako snaha vyfotografovat přesný okamžik zapálení zápalky… ale tisíce světelných let daleko.
Spatřit explodující hvězdu není jen kosmická podívaná nebo loterie, ale také jedinečná příležitost pochopit nejbouřlivější mechanismy, které vesmír dokáže nasadit. Ve studii publikované v časopise Nature Astronomy se týmu astronomů podařilo něco dříve nemyslitelného: zobrazit strukturu výbuchu novy několik dní po jejím vzplanutí, což nám umožňuje pochopit a zobrazit, jak dochází k vyvrhování vrstev materiálu a vzniku energetických šoků v nepředstavitelném měřítku.
Novy, supernovy a fyzika hvězdných výbuchů
Novy jsou termonukleární exploze, ke kterým dochází ve dvojhvězdných systémech, kde bílý trpaslík (extrémně hustý pozůstatek hvězdy) krade materiál svému společníkovi. Jak hromadí vodík na svém povrchu, může tento materiál dosáhnout kritické hmotnosti a vybuchnout v nekontrolované reakci, která dočasně rozzáří systém, jako by šlo o menší supernovu. Až dosud mohli astronomové tyto události studovat pouze z hlediska globální jasnosti nebo nepřímo.Nová studie, kterou vedl Elias Aydi, tuto bariéru prolomila.
Abychom tyto exploze uvedli do souvislostí, je užitečné je odlišit od jejich „větších bratranců“, supernov. V případě novy bílý trpaslík explozi přežije: vyvrhne část nahromaděného materiálu, nakonec uhasne a může proces opakovat, pokud bude nadále krást plyn svému souputníkovi. Naproti tomu u supernovy je mateřská hvězda obvykle zničena nebo přeměněna na kompaktní objekt (neutronovou hvězdu nebo černou díru). Novy jsou tedy opakující se exploze v astronomických časových měřítcích, zatímco supernovy jsou konečným koncem masivní hvězdy nebo bílého trpaslíka, který překročí kritickou hranici hmotnosti.
První přímé snímky rané fáze novy
Pomocí optické interferometrie s vysokým rozlišením pomocí Centra pro astronomii s vysokým úhlovým rozlišením (CHARA, síť dalekohledů působících společně jako jeden obrovský dalekohled) Aydiho tým detekoval vrstvy plynu vyvržené ve dvou galaktických novách, a to pouhé 2-3 dny po jejich výbuchu. Tato technika kombinuje světlo z několika dalekohledů, čímž dosahuje rozlišovací schopnosti, která by s jediným přístrojem nebyla možná, téměř jako by se stavěl virtuální dalekohled velikosti samotné observatoře.
Soustava CHARA, umístěná na hoře Mount Wilson v Kalifornii, se skládá ze šesti dalekohledů o průměru 1 metr uspořádaných do tvaru obřího písmene „Y“. Kombinací světla ze všech z nich pomocí interferometrie se dosáhne úhlového rozlišení odpovídajícího dalekohledu o průměru až 330 metrů. Přeloženo do běžnější řeči: bylo by to jako rozlišit světla auta na Měsíci od světel na Zemi. Právě tato schopnost „vidět drobné detaily na obrovské vzdálenosti“ umožnila poprvé rozlišit tvar exploze, místo aby ji bylo možné vidět jako jedinou jasnou skvrnu.
Výsledky ukázaly výbuch, který se vymyká zjednodušené představě o jednolitém kulovitém výbuchu. U jedné z pozorovaných nov, nazvané V1674 Herculis, snímky ukazují dva výrazně odlišné výtrysky, jeden rychlejší a druhý pomalejší, což naznačuje, že materiál není vyvrhován homogenně ve všech směrech. Interakce mezi těmito proudy pravděpodobně vytváří vnitřní srážky, které urychlují částice a generují vysokoenergetické emise, včetně gama záření.
V1674 Herculis upoutala pozornost astronomů již v roce 2021 z jiného důvodu: je jednou z nejrychlejších nov, které kdy byly zaznamenány. Její maximální jasnost pohasla během pouhých několika dní, zatímco obvykle trvá týdny, než nova vyhasne. Nyní nová pozorování ukazují, že tato rychlost není jen záležitostí jasnosti, ale také geometrie: zdá se, že exploze je usměrněna preferovanými směry, jako by binární systém a disk materiálu obklopující bílého trpaslíka „tvarovaly“ tvar výtrysku.
Naproti tomu druhá nova (V1405 Cassiopeiae) se vyvíjela mnohem pomaleji. Její vyvržený materiál zůstal „obtočen“ kolem systému po dobu více než 50 dní, než se rozptýlil, což je vzácný jev, který byl rovněž zachycen pozorováním pomocí sondy CHARA. V tomto případě plynná obálka tvořila jakousi hustou, relativně symetrickou slupku, která se postupem času rozpínala jako velmi pomalu se nafukující balón. Tento extrémní rozdíl mezi „rychlou a směrovou“ a „pomalou a obálkovou“ novou nabízí přímé srovnání dvou radikálně odlišných způsobů exploze.
Co nám nové pozorování říká o vesmíru
Tyto první přímé snímky raných hvězdných explozí jsou revoluční, protože umožňují sledovat chronologii událostí, pozorovat, jak se formuje trojrozměrná struktura vyvrženého plynu, a studovat mechanismy, které způsobují urychlování částic. Díky tomu se novy mění v laboratoře extrémní fyziky.
Až dosud se informace o struktuře novy získávaly nepřímo, ze spekter (rozklad světla na barvy) a z toho, jak se jasnost měnila v čase. To umožňovalo odvodit rychlosti, teploty a chemické složení, nikoli však „vidět“ skutečný tvar oblaku plynu. Pomocí sondy CHARA se vědcům podařilo rekonstruovat interferometrické snímky, které ukazují, jak se výtrysky roztahují, zplošťují nebo tříští. Je to rozdíl mezi tím, když v dálce slyšíte explozi, a tím, když ve zpomaleném záběru vidíte, jak se explodující objekt rozpadá.
„Tato pozorování nám umožňují studovat hvězdnou explozi v reálném čase, což je velmi složité a dlouho bylo považováno za nesmírně obtížné. Místo toho, abychom viděli pouhý záblesk světla, nyní odhalujeme skutečnou složitost toho, jak se tyto exploze vyvíjejí,“ vysvětluje Aydi ve svém prohlášení.
Práce se neomezuje pouze na zobrazování. Tým zkombinoval data ze sondy CHARA s pozorováními na více vlnových délkách: v rentgenovém, ultrafialovém, viditelném světle, infračerveném a v gama záření. Každá „barva“ elektromagnetického spektra odhaluje jiný aspekt exploze: rentgenové a gama záření odhaluje nejenergetičtější výbuchy, ultrafialové záření ukazuje extrémně horký plyn a infračervené záření umožňuje sledovat prach a chladnější materiál, který vzniká později. Superpozicí všech těchto informací astronomové získají jakousi „tomografii“ novy, trojrozměrnou a časovou rekonstrukci vývoje systému.
Novy však neposkytují pouze vhled do fyziky explozí, ale díky emisím gama záření jsou spojeny s dalšími vysokoenergetickými událostmi, jako jsou supernovy a srážky hvězdného větru. To naznačuje, že tyto jevy sdílejí širší fyzikální principy, které jsou zásadní pro pochopení vývoje hvězd a rozptylu chemických prvků ve vesmíru.
Od roku 2010 vesmírný gama teleskop Fermi detekoval vysokoenergetické záření z několika nov, což vědeckou komunitu zpočátku překvapilo: předpokládalo se, že takto energetické částice mohou produkovat pouze nejextrémnější exploze, jako jsou supernovy nebo gama záblesky. Nyní víme, že rázové vlny uvnitř samotného výtrysku novy jsou schopny urychlit protony a elektrony na rychlosti blízké rychlosti světla, podobně jako se to děje v pozůstatcích supernov. Nové snímky pomáhají přesně určit, kde tyto srážky vznikají a jak se šíří.
Navíc, ačkoli novy nejsou tak ničivé jako supernovy, přispívají také k obohacování mezihvězdného prostředí. Během exploze bílý trpaslík vyvrhuje nejen vodík a helium, ale také těžší prvky syntetizované v jeho nitru, jako je uhlík, dusík, kyslík nebo neon. Tento materiál se časem smísí s plynem v galaxii a nakonec se stane součástí nových generací hvězd a planet. V některých typech nov byly dokonce objeveny prachové částice, které mohou přežít a cestovat na velké vzdálenosti a stát se zárodky budoucích planetárních systémů.
Tento objev má rovněž význam pro další z velkých záhad astrofyziky: původ některých supernov typu Ia, které se používají jako „standardní svíčky“ pro měření kosmických vzdáleností a studium rozpínání vesmíru. Jedna z hypotéz předpokládá, že některé z těchto supernov vznikají, když bílý trpaslík ve dvojhvězdném systému akreuje materiál ze svého společníka, dokud nepřekročí kritickou hranici hmotnosti a nezhroutí se. Podrobné pochopení toho, jak dochází k akreci a vyvržení materiálu v novách, pomáhá zpřesnit tyto modely a určit, které systémy mohou ukončit svůj život jako termonukleární supernovy.
Kromě konkrétních výsledků tato studie představuje metodologický zlom. Kombinace optické interferometrie s velmi vysokým rozlišením, rychlých pozorování po výbuchu a sledování na více vlnových délkách otevírá dveře nové éře ve studiu hvězdných explozí. Astronomové již připravují koordinované kampaně se sítěmi robotických dalekohledů, které hlídkují na obloze při hledání nových výbuchů, takže zařízení jako CHARA nebo Very Large Telescope Interferometer (VLTI) mohou být zaměřena v řádu hodin.
Pozorovat explozi hvězdy takto zblízka je tedy jako zachytit snímek vnitřní mechaniky jednoho z nejzákladnějších procesů ve vesmíru: redistribuce hvězdné hmoty a vytváření složitých struktur z uvolněné energie. V každé nově se bílý trpaslík zbaví přebytečného materiálu a vymrští ho do vesmíru; v každé supernově se masivní hvězda rozpadne a zasype své okolí těžkými prvky. A nyní můžeme poprvé sledovat, jak tento proces začíná téměř od prvního úderu srdce exploze, a v reálném čase sledovat, jak extrémní fyzika tvaruje vesmír.
Když se noční obloha promění v živou kroniku
Tato pozorování nám nakonec připomínají, že zdánlivě klidná noční obloha je ve skutečnosti dynamickým jevištěm, kde žijí, umírají a vybuchují celé hvězdy. Rozdíl je v tom, že díky přístrojům, jako je CHARA, a koordinovaným kampaním na celé planetě se z pouhých diváků stáváme podrobnými kronikáři těchto hvězdných smrtí, kteří jsou schopni rekonstruovat nejen závěrečný záblesk, ale také intimní choreografii exploze.