Váženie bieleho trpaslíka

28 May

Váženie bieleho trpaslíka

Dátum: 28.05.2023
Kategória: Zo sveta

Astronómovia použili Hubblov kozmický ďalekohľad (HST) na to, aby po prvý raz priamo zmerali hmotnosť osamoteného bieleho trpaslíka – preživšie jadro hviezdy podobnej Slnku, ktorá vyčerpala svoje jadrové palivo. Vedci zistili, že biely trpaslík má hmotnosť 0,56 hmotnosti Slnka. To súhlasí so skoršími teoretickými predpoveďami o hmotnosti bielych trpaslíkov a potvrdzuje teórie o tom, ako sa bieli trpaslíci vyvíjajú ako konečné štádium typického vývoja hviezd. Unikátne pozorovanie prináša pohľad do teórií štruktúry a zloženia bielych trpaslíkov. Doteraz predchádzajúce merania hmotnosti bielych trpaslíkov pochádzali z pozorovaní bielych trpaslíkov vo dvojhviezdnych systémoch. Sledovaním pohybu dvoch hviezd obiehajúcich okolo spoločného ťažiska sa totiž dá zistiť ich hmotnosť vďaka 3. Keplerovmu zákonu – stačí zmerať veľkú polos dráhy a periódu obehu.

Avšak tieto merania môžu byť dosť nepresné ak hviezdy obiehajú okolo seba po dráhe s veľmi dlhou periódou, typicky stovky, či tisícky rokov. Ich orbitálny pohyb sa totiž potom dá merať ďalekohľadom len na krátkom úseku ich dráhy, takže perióda i veľká polos a teda následne aj hmotnosť, sa takto dajú odvodiť len s veľkou chybou. Ale teraz získali astronómovia vďaka jednému triku možnosť zistiť hmotnosť aj osamelých bielych trpaslíkov. Využili pritom jav nazývaný gravitačné mikrošošovkovanie (angl. gravitational microlensing). Spočíva v tom, že svetlo zo vzdialenej hviezdy sa jemne odchýli od svojej trajektórie vďaka zakriveniu priestoru v okolí bieleho trpaslíka v popredí. Keď prechádza biely trpaslík popred hviezdu v pozadí, mikrošošovkovanie spôsobí, že hviezda sa nám bude premietať trocha mimo svojej pôvodnej polohy na oblohe. Výsledky takéhoto merania zmeny polohy vzdialenej hviezdy spôsobenej prechodom jej svetla silným gravitačným poľom bieleho trpaslíka boli zverejnené v známom astronomickom časopise Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Hlavný autor tejto štúdie je  Peter McGill (University of California, Santa Cruz, USA). McGill použil Hubblov kozmický teleskop na presné zmeranie toho, ako sa ohýba svetlo zo vzdialenej hviezdy v okolí bieleho trpaslíka označeného LAWD 37 a spôsobujúceho zmeny jej zdanlivej polohy na oblohe. 

Kailash Sahu zo Space Telescope Science Institute v Baltimore, Maryland, USA, ktorý sa tiež zúčastnil na tomto pozorovaní, využil prvý raz mikrošošovkovanie už v roku 2017 na zistenie hmotnosti iného bieleho trpaslíka - Stein 2051 B. Ale tento biely trpaslík sa nachádza v širokom dvojhviezdnom systéme. „Naše posledné pozorovanie prinieslo novú možnosť merania hmotnosti bielych trpalíkov, pretože LAWD 37 je osamotenou hviezdou,“ konštatoval Sahu. Skolabovaný zvyšok hviezdy starý asi jednu miliardu rokov - LAWD 37 - bol intenzívne študovaný, pretože je od nás vzdialený len 15 svetelných rokov a premieta sa nám do južného súhvezdia Mucha. „Pretože je tento biely trpaslík tak blízko k nám, získali sme o ňom množstvo údajov – napr. informácie o jeho spektre, ale chýbajúcim kúskom skladačky bolo zistenie jeho hmotnosti,“ povedal McGill. Jeho tím zacielil na tohto bieleho trpaslíka vďaka astrometrickej družici ESA s názvom „Gaia“, ktorá vykonala veľmi presné merania takmer 2 miliárd polôh hviezd. Viacnásobné pozorovania družice Gaia sa tak dajú použiť na sledovanie pohybu hviezd na oblohe. Na základe týchto údajov boli astronómovia schopní predpovedať, že LAWD 37 by mal prejsť popred hviezdu v pozadí v novembri 2019. Keď toto bolo známe, astronómovia použili HST na presné merania zdanlivej polohy hviezdy počas niekoľkých rokov. Jej poloha sa totiž postupne menila vďaka ohybu svetla počas prechodu bieleho trpaslíka. „Takéto úkazy sú vzácne a výsledné efekty sú maličké,“ vysvetľuje McGill. „Napríklad veľkosť nami zmeraného posuvu hviezdy na oblohe je ako keby sme zo Zeme merali dĺžku auta na Mesiaci.“ Keďže svetlo hviezdy z pozadia bolo veľmi slabé, hlavnou výzvou pre astronómov bolo „vytiahnutie“ jej obrazu zo žiary bieleho trpaslíka, ktorý je asi 400-krát jasnejší než táto  hviezda v pozadí. Len HST dokáže urobiť tento druh vysoko kontrastných pozorovaní vo viditeľnom svetle. „Presnosť merania hmotnosti LAWD 37 nám umožnila testovať vzťah hmotnosť – polomer pre bielych trpaslíkov,“ vysvetľuje ďalej Peter McGill. „To znamená môcť testovať teóriu degenerovanej hmoty (t.j. plynu tak stlačeného gravitáciou, že sa správa ako pevná hmota) v extrémnych podmienkach vo vnútri tejto mŕtvej hviezdy,“ dodáva McGill. Vedci hovoria, že ich výsledky otvárajú dvere pre budúce predpovede javov vďaka dátam z družice Gaia.

Okrem HST môžu byť javy ako tento pozorované aj pomocou James Webb Space Telescope. Pretože „Webb“ pracuje v infračervenej oblasti spektra, modrá žiara bieleho trpaslíka v popredí sa v infračervenej oblasti javí slabšia a naopak jas hviezdy v pozadí bude vyšší. Podľa predpovedí zo satelitu Gaia pozoruje teraz Sahu ďalšieho bieleho trpaslíka, LAWD 66, a to pomocou James Webb Space Telescope. Prvé pozorovania boli získané v roku 2022. Viac pozorovaní bude vykonaných v roku 2024, kedy bude ohyb svetla bielym trpaslíkom najväčší a potom bude klesať. „Gaia skutočne zmenila hru – je vzrušujúce byť schopný použiť údaje z Gaii na predpovedanie kedy takéto javy nastanú a potom ich  pozorovať,“ hovorí McGill. „Chceme pokračovať v meraniach gravitačného mikrošošovkovania a zistiť hmotnosť viacerých typov hviezd.“ V roku 1915 vo svojej Všeobecnej teórii relativity Albert Einstein predpovedal, že ak hmotný kompaktný objekt prechádza popred hviezdu v pozadí, svetlo hviezdy by sa malo v blízkosti objektu v popredí ohnúť kvôli zakriveniu priestoru gravitačným poľom tohto kompaktného objektu. A presne 100 rokov pred takýmto posledným pozorovaním s HST, v roku 1919, dve britské expedície na južnú pologuľu po prvý raz pozorovali ohyb svetla hviezd v gravitačnom poli Slnka počas úplného zatmenia Slnka v máji 1919. To bolo považované za prvé experimentálne overenie Všeobecnej teórie relativity – že gravitácia zakrivuje priestor. Avšak sám Einstein bol skeptický a tvrdil, že tento efekt sa nebude dať v prípade hviezd mimo slnečnej sústavy pozorovať kvôli jeho malej pravdepodobnosti a malým hodnotám ohybu svetla. „Nami nameraný ohyb svetla je 625-krát menší než efekt zmeraný pri zatmení Slnka v roku 1919,“ uzatvára McGill. Dodajme, že pri okraji Slnka dosahuje ohyb svetla vzdialenej hviezdy svoju najvyššiu hodnotu a to 1,75“ (t.j. 1,75 oblúkovej sekundy, čo je niekoľko desiatok krát menšia hodnota ako je rozlišovacia schopnosť ľudského oka). Ohyb svetla bielym trpaslíkom LAWD 37 v tomto popisovanom  prípade vychádza potom asi 0,0028“, t.j. napr. pri pozorovaní zo Zeme to zodpovedá rozmeru asi 5,4 metra na Mesiaci, teda vyššie spomenutému rozmeru osobného auta.

Publikované v časopise QUARK 5/2023, RNDr. Zdeněk Komárek

Obrázok nad článkom: porovnanie veľkostí typického bieleho trpaslíka a našej Zeme. V tomto prípade ide o bieleho trpaslíka Sírius B.

 

Umelecké stvárnenie merania ohybu svetla v gravitačnom poli bieleho trpaslíka pomocou Hubblovho kozmického ďalekohľadu.
Zdroj obrázka: https://hubblesite.org

Newsletter


ksk
mksr
fond
matica_slovenska
michalovce
michalovcan
mistral
msks
noc
sobrance
akoi
hvezdaren_urbanovo
loader