Dlaczego większość gwiazd tworzy układy podwójne? Nowe badanie rzuca światło na ich powstawanie

Dlaczego układy podwójne gwiazd są tak powszechne we Wszechświecie? Zdaniem naukowców kluczową rolę może odgrywać mechanizm zwany fragmentacją dysku.

Dlaczego większość gwiazd ma towarzyszy?

Zdaniem astronomów Słońce różni się nieco od ogólnej populacji gwiazd, ponieważ obiekty tego rodzaju często nie występują pojedynczo, a około połowa z nich jest związana z jedną lub kilkoma innymi gwiazdami towarzyszącymi. Para gwiazd nazywana jest przez naukowców układem podwójnym lub gwiazdą podwójną, ale w wielu przypadkach występują one w większych grupach i są powiązane grawitacyjnie.

W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem Ryana Sponzilliego z University of Illinois starali się lepiej zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, i odkryli argumenty wskazujące na to, że odpowiedzialny za to może być mechanizm znany jako fragmentacja dysku (disk fragmentation). Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.

Dwie konkurencyjne teorie: fragmentacja dysku vs fragmentacja turbulentna

Fragmentacja dysku jest jedną z dwóch konkurencyjnych teorii wyjaśniających powstawanie układów gwiazd znajdujących się blisko siebie. W ramach tego scenariusza pojedynczy, masywny dysk gazu i pyłu otaczający nowo narodzoną gwiazdę staje się niestabilny i rozpada się. Ostatecznie z materii tej formuje się kolejna gwiazda tuż obok. Zdaniem naukowców kluczowe dla badania było to, że ponieważ obiekty te mogą powstawać z tego samego wirującego dysku, ich osie obrotu powinny być wyrównane.

Druga teoria to tzw. fragmentacja turbulentna (turbulent fragmentation) połączona z migracją do wewnątrz. W tym scenariuszu zakłócenia – turbulencje – w tym samym obłoku powodują jego rozpad na dwa oddzielone od siebie skupiska, z których powstają dwie różne gwiazdy. Na przestrzeni dziesiątek tysięcy lat te dwie gwiazdy są przyciągane ku sobie poprzez złożone oddziaływania grawitacyjne, aż w końcu tworzą układ podwójny. Jak wskazują naukowcy, w tym założeniu najważniejsze jest to, że ponieważ powstają w wyniku oddzielnych, chaotycznych procesów, ich końcowe rotacje i orbity powinny być ustawione losowo.

Aby ustalić, która metoda jest dominującym sposobem powstawania układów podwójnych, badacze przeanalizowali 51 młodych układów podwójnych. Ponieważ obiekty te są otoczone warstwami gazu i pyłu, nie można bezpośrednio uchwycić ich rotacji. Astronomowie mogą jednak zmierzyć orientację strumieni gazu wyrzucanych z ich biegunów.

Teleskop ALMA ujawnia sekrety narodzin gwiazd

Naukowcy posłużyli się danymi pozyskanymi dzięki teleskopowi Atacama Large Millimeter Array (ALMA), który śledził obecność tlenku węgla w tych dżetach. Pozwoliło to badaczom wykorzystać te strumienie jako wskaźnik momentu pędu układu – jeśli były one równoległe (i prostopadłe do linii łączącej dwie gwiazdy), oznaczało to, że obracały się synchronicznie, co wspierałoby teorię fragmentacji dysku. Natomiast jeśli były skierowane w pozornie losowych kierunkach, byłoby to dowodem na teorię fragmentacji turbulentnej.

Jak podkreślają astronomowie, pozyskane dane zdecydowanie faworyzowały teorię fragmentacji dysku. Zidentyfikowano 42 wypływy w 51 parach gwiazd, w 38 układach. Po przeprowadzeniu symulacji badacze wskazali, że około 94 proc. dżetów było wewnętrznie „prostopadłych” do płaszczyzny między dwiema gwiazdami.

„Analiza pozyskanych danych wskazuje, że fragmentacja dysku jest dominującą drogą formowania się układów protogwiazdowych znajdujących się blisko siebie” – twierdzą naukowcy.

Ponadto, zdaniem badaczy, prawdopodobieństwo tego, że układy powstałe w wyniku fragmentacji turbulentnej, powoli zbliżając się do siebie, mogłyby stopniowo wyrównywać swoje osie obrotu, jest niemal zerowe. Powszechność wyrównanych strumieni wskazuje na powstawanie na miejscu, a nie na migrację gwiazd.

Co to oznacza dla powstawania gwiazd i układów planetarnych

Badanie to nie tylko pomaga lepiej zrozumieć, jak powstają gwiazdy, ale także pozwala poznać mechanikę orbitalną układów, w których się formują. A co być może ważniejsze, rzuca więcej światła na planety powstające w tych systemach.

Emil Gołoś